# Gestion des eaux pluviales en ville | 20 ans de recherche au service de l'action

Laëtitia Bacot, Sylvie Barraud, Gislain Lipeme Kouyi, Pascal Breil, Jean-Luc Bertrand-Krajewski, Flora Branger, Isabelle Braud, Frederic Cherqui, B. Cournoyer, Philippe Namour, et al.

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## To cite this version:

Laëtitia Bacot, Sylvie Barraud, Gislain Lipeme Kouyi, Pascal Breil, Jean-Luc Bertrand-Krajewski, et al.. Gestion des eaux pluviales en ville | 20 ans de recherche au service de l'action. GRAIE., 2022, 9782917199107. hal-05473622

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# Gestion des eaux pluviales en ville

20 ans de recherche au service de l'action

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Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine

Un dispositif de recherche animé par

graie
PÔLE
EAU & TERRITOIRES

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Ouvrage collectif sous la direction de Laëtitia Bacot, Sylvie Barraud et Gislain Lipeme Kouyi
# Gestion des eaux pluviales en ville

20 ans de recherche au service de l'action

Ouvrage collectif OTHU
sous la direction de
Laëtitia Bacot, Sylvie Barraud
et Gislain Lipeme Kouyi

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OTHU

graeie
POLE
EAU & TERRITOIRES
# Sommaire (suite)

**Question 5.2:** Est-il judicieux de baser une stratégie de traitement des RUTP sur le principe du premier flot ? p. 112
Sylvie Barraud et Jean-Luc Bertrand-Krajewski, INSA Lyon

**Question 5.3:** Quels sont les contaminants microbiologiques transportés par les RUTP et quel est leur niveau de dangerosité pour l'Homme ? p. 114
B. Cournoyer, D. Blaha, W. Galia, V. Rodriguez-Nava, B. Youenou, R. Bouchali, Y. Colin, A. Aigle, A. Meynier Pozzi, E. Bourgeois, J. Voisin, R. Marti, S. Ribun, A. Gleizal, C. Bernardin-Souibgui, F. Vautrin, B. Tilly, L. Marjolet, UMR Écologie Microbienne, Équipe BPOE, VetAgro Sup, Université Lyon 1, CNRS & INRAE

**Question 5.4:** Comment connaître la pollution des sédiments des bassins de rétention des eaux pluviales ? p. 120
Laure Wiest, CNRS UCBL, Institut des Sciences Analytiques, UMR 5280 – Gislain Lipeme Kouyi, Sylvie Barraud, INSA Lyon – Yves Perrodin, ENTPE

**Question 5.5:** Comment étudier les processus d'usages et de contaminations des aménagements urbains intégrant des ouvrages de gestion des eaux pluviales ? p. 124
Claire Mandon, Université de Lyon, INSA-Lyon, CNRS, UMR 5600 Environnement Ville Société

## 6 IMPACT p. 129

**Question 6.1:** Quel est l'impact des bassins d'infiltration d'eaux pluviales sur les nappes phréatiques ? p. 130
Florian Mermillod-Blondin, Florian Malard, Pierre Marmonier, CNRS et Université Lyon 1 – Arnaud Foulquier, Université Grenoble Alpes

**Question 6.2:** Quels sont les impacts des rejets urbains de temps de pluie sur les petits cours d'eau ? p. 134
Pascal Breil, Philippe Namour, Michel Lafont, INRAE – Benoit Cournoyer, CNRS - VetAgro Sup – Laurent Schmitt, Unistra

**Question 6.3:** Quelles sont les trajectoires hydrogéomorphologiques des cours d'eau périurbains ? p. 138
Oldrich Navratil, Université Lyon 2, UMR-CNRS EVS

## 7 INFILTRATION p. 143

**Question 7.1:** Pourquoi infiltrer les eaux pluviales ? p. 144
Sylvie Barraud, Hélène Castebrunet, INSA Lyon

**Question 7.2:** Quel rôle joue le sol dans le piégeage des polluants ? p. 148
Sylvie Barraud, INSA Lyon – Laurent Lassabatère, ENTPE – Florian Mermillod-Blondin, CNRS Université Lyon 1

**Question 7.3:** Comment un système d'infiltration se colmate-t-il ? Et en combien de temps ? p. 152
Sylvie Barraud, INSA Lyon

**Question 7.4:** Quel est le rôle de la végétation face au colmatage des systèmes d'infiltration ? p. 156
Sylvie Barraud, INSA Lyon – Jean-Philippe Bedell, ENTPE
<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Laurent Roy,
Directeur général de l'Agence de l'eau
Rhône Méditerranée Corse</figcaption></figure>

La meilleure maîtrise des eaux pluviales est devenue un défi majeur de l'assainissement, notamment du fait de la forte artificialisation des sols. En France, entre 20000 et 30000 hectares sont artificialisés chaque année, ce qui augmente le ruissellement des eaux de pluie sur des surfaces imperméabilisées où elles se chargent en pollution. Les réseaux d'assainissement unitaires sont saturés par ces eaux ce qui entraînent des rejets de pollution sans traitement vers le milieu naturel.

Les solutions existent et sont éprouvées : la déconnexion des eaux pluviales et la désimperméabilisation des sols afin que l'eau s'infiltre là où elle tombe. L'eau de pluie est ainsi réintégrée sur place dans le cycle de l'eau, ce qui a pour effet de désengorger les réseaux d'assainissement mais aussi de recharger les nappes. De plus, cette gestion intégrée de l'eau permet de verdir les villes grâce aux solutions d'infiltration fondées sur la nature (noues végétalisées, jardins de pluie...) et de lutter contre les îlots de chaleur.

Cette politique, soutenue par l'agence de l'eau, a permis de passer d'un volume de 62 millions de m³ d'eaux usées non traitées et rejetés vers le milieu naturel en 2018 à un volume de 35 millions de m³ en 2020. C'est le résultat de l'engagement des collectivités qui sont de plus en plus nombreuses à considérer cet enjeu. Elles ont un rôle primordial dans ce changement de paradigme parce qu'elles répondent à des enjeux environnementaux et sanitaires mais aussi parce qu'elles répondent aux attentes sociétales pour des villes qui laissent davantage place à la nature et s'adaptent aux effets du dérèglement climatique. Voiries, parkings, cours d'école... sont autant d'espaces à désimperméabiliser et à réinventer en leur associant d'autres usages propices à la biodiversité et au bien-être.

Cette transition vers une ville perméable n'a pu s'opérer sans un travail soutenu de recherche et d'observation. Pendant 20 ans, l'OTHU, financé entre autres par l'agence de l'eau, a produit des études dans ce domaine sur le secteur de la Métropole de Lyon. À titre d'exemple, l'OTHU a démontré que dans les ouvrages d'infiltration des eaux pluviales, la plupart des contaminants sont retenus dans les premiers centimètres du sol. Cette expertise est une force qui permet aux aménageurs de pouvoir construire la ville de demain, en minimisant les impacts sur l'environnement.

L'agence de l'eau Rhône Méditerranée Corse se réjouit de la parution de ce guide récapitulatif des grands enseignements du travail de recherche de l'OTHU, qui sera très utile aux acteurs de l'aménagement du territoire et de l'assainissement pour gérer au mieux les eaux pluviales. Je vous en souhaite bonne lecture.
<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Anne Grosperrin,</figcaption></figure>

Vice-présidente de la Métropole de Lyon,
déléguée au cycle de l'eau

Depuis deux décennies, la Métropole de Lyon soutient et contribue aux recherches et aux observations de l'OTHU pour l'amélioration de la gestion des eaux pluviales en ville.

Cela répond à un vrai défi car il s'agit de **rendre nos villes perméables**. En quelques mots, cette proposition constitue un changement profond, une rupture même, dans notre façon d'aménager le territoire, de fabriquer la ville, d'être en relation avec nos ressources naturelles.

Penser une ville perméable signifie rompre avec une approche hygiéniste, purement hydraulique et basée sur la gestion des flux et des débits, qui prédomine encore largement, pour se rapprocher du cycle naturel de l'eau et infiltrer l'eau de pluie là où elle tombe.

Nous devons bouleverser nos conceptions classiques de l'aménagement urbain car ce qui est en jeu, c'est la disponibilité de la ressource en eau, la qualité du cadre de vie, la santé, la protection des milieux aquatiques et, plus globalement, l'adaptation au changement climatique.

Les villes sont désormais en pleine évolution pour améliorer les performances des réseaux d'assainissement, réduire la pollution des milieux, favoriser la recharge des nappes phréatiques, lutter contre les ruissellements et les inondations, créer des îlots de fraîcheur mais aussi développer la biodiversité en ville.

C'est l'ambition que nous nous sommes donnée pour la Métropole de Lyon à travers une stratégie métropolitaine globale nommée « Ville perméable ». Appuyée sur la compétence technique des services métropolitains de l'eau et de l'assainissement, ainsi que sur le partage d'expériences avec l'OTHU, d'autres collectivités et des établissements publics de l'État, cette ambition implique aujourd'hui un changement d'échelle et de culture.

C'est ce qui en fait toute la difficulté car c'est désormais la politique de l'eau, ressource finie, qui doit guider en amont les autres politiques publiques concernées (urbanisme, voirie, végétalisation, bâtiments publics...). Il faut pour cela que les élu-es portent ce changement dans les politiques publiques de manière transversale et que les services intègrent cette question de la gestion des eaux pluviales dans leurs projets dès l'idée.

Les collectivités ont la responsabilité de porter à l'échelle locale les innovations nécessaires à une adaptation au changement climatique et à une transition écologique ambitieuse. Cet ouvrage issu de vingt années de recherche de l'OTHU est une aide précieuse pour les accompagner dans ce défi.
# Introduction

La gestion des eaux en milieu urbain et leurs rejets dans les milieux (rivières, sols, nappes) constituent et continuent de constituer une des préoccupations majeures des territoires urbanisés (villes, zones périurbaines).

Parallèlement durant les dernières décennies, l'eau de pluie est de plus en plus perçue comme une véritable ressource et une plus-value pour la ville (utilisation comme élément d'agrément, réutilisation à différentes fins, régulation de la température urbaine, éléments de biodiversité...).

La gestion de l'eau se situe donc dans un entre-deux entre menace et opportunité, complexe mais stimulant pour les acteurs de l'eau et de la ville.

Dans ce contexte, il y a plus de 20 ans maintenant, les acteurs de l'eau en ville de la place lyonnaise (chercheurs et opérationnels) se réunissaient pour fédérer leurs efforts pour comprendre et agir. La direction de l'Eau (et à l'origine le service d'écologie urbaine) de la métropole de Lyon et de l'agence de l'Eau Rhône Méditerranée Corse décidaient avec un consortium de chercheurs lyonnais issus de différentes disciplines de co-construire et de coordonner un Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine visant à répondre aux préoccupations majeures de notre temps liées à la gestion de l'eau en ville et en particulier à celle de la gestion sur son territoire.

## Une approche peu banale et courageuse pour les chercheurs et les opérationnels

Pour les chercheurs – dont on sait combien les disciplines scientifiques spécifiques, les enferment parfois et les éloignent les uns des autres – s'étaient réunis pour aborder des sujets complexes co-construits avec des opérationnels, sujets nécessitant de croiser, de travailler aux interfaces des disciplines, d'accepter d'observer conjointement et de manière concourante des systèmes, des phénomènes en situation réelle, et ce, sur le long terme.

Pour les opérationnels, le défi était aussi courageux: celui d'apporter du « réalisme de contexte » aux recherches mais aussi celui de se confronter aux issues de la recherche susceptible de remettre en cause leurs pratiques. Malgré cela, la Métropole et l'Agence de l'Eau via le contrat d'Agglomération et avaient choisi d'adopter, ce qu'une chercheuse sur les observatoires français du domaine nommera « l'innovation précautionneuse » en opposition à une innovation « radicale » impliquant une prise de risque non maîtrisée (Soyer et al, 2013)<fnref n="1" />.

## Un ciment indispensable: le GRAIE

Enfin, on peut se demander quel ciment avait permis de faire prendre cette fédération atypique de chercheurs aux disciplines si diverses et d'opérationnels aux préoccupations parfois divergentes. Ce liant majeur a été sans conteste et dès le départ l'association GRAIE (groupe de recherche, animation technique et information sur l'eau), dont le rôle, depuis 1985, est de mobiliser et de mettre en relation des acteurs de la gestion de l'eau, des milieux aquatiques et de l'aménagement urbain. Elle a joué et continue de jouer un rôle fondamental dans l'animation, la coordination des suivis et la valorisation des résultats. Ces résultats seront

<footnote n="1">¹ Soyer M. Deroubaix J.-F., De Gouvello B., Hubert G. (2013). *L'innovation dans les métropoles dépend-elle de leur capacité à nouer des relations spécifiques avec leur environnement scientifique? Formes, échelles des réseaux et trajectoires d'innovation dans la gestion des eaux pluviales en France*, 8th International conference NOVATECH, 23-27 June 2013, Lyon, 10 p.</footnote>
largement exploités dans les groupes de travail de l'association, les rencontres techniques ou conférences nationales et internationales qu'elle organise.

Mais parlons un peu de ce qu'est fondamentalement cet observatoire dont vingt années de recherche sont reportées ici dans cet ouvrage.

## L'OTHU un modèle inspirant

Au-delà de ces actions propres, l'OTHU servira de modèle et intégrera la ZABR (Zone Atelier Bassin du Rhône) en 2001, sera l'un des supports de l'EUR H₂O'Lyon qui structurera dès 2017 la formation universitaire dans le domaine de l'Eau et des hydrosystèmes. Il servira également d'appui aux stratégies de la métropole (comme par exemple Ville perméable, surveillance des milieux, méthode d'autosurveillance, réseau pluviométrique...).

## Mais pourquoi l'OTHU plus précisément ? Et que recouvre-t-il ?

La compréhension des phénomènes liés à la gestion de l'eau en milieu urbain ou périurbain et aux rejets associés se heurte à une complexité importante liée aux échelles spatiales et à la variété des « objets » étudiés (bassins versants, ouvrages d'assainissement traditionnel comme les réseaux de conduites unitaires ou séparatifs munis ou non de déversoirs d'orage, systèmes alternatifs comme les infrastructures vertes infiltrantes, milieux naturels superficiels et souterrains...). Elle se heurte également à la diversité et la complexité des phénomènes naturels et anthropiques mis en jeu, qui demandent la prise en compte de phénomènes aussi bien hydrodynamiques (modes d'écoulement), physico-chimiques (mobilisation et transfert des polluants) que biologiques (impacts des rejets sur les milieux, espèces végétales) dont les dynamiques temporelles sont très différentes et qui sont de surcroît intimement interdépendantes. Les phénomènes dépendent enfin des activités humaines en milieu urbain et donc des pratiques des gestionnaires des systèmes techniques et des usagers. Enfin, la compréhension globale et intégrée de l'ensemble de ces phénomènes reste souvent contrainte par l'organisation très mono disciplinaire de la recherche en France et très éclatée des services gestionnaires.

Mieux connaître et mieux maîtriser la gestion de l'eau en ville et dans les milieux naturels par temps sec et par temps de pluie demande l'acquisition de données d'observation des hydrosystèmes. La pratique courante dans ce domaine, depuis les années 1960, a consisté à procéder à des campagnes de mesures ponctuelles dans le temps, parfois nombreuses mais rarement concertées. Si ces expérimentations de terrain ont permis de faire progresser les connaissances (notamment en matière de pollution des eaux de ruissellement), elles n'ont pas permis d'en appréhender les dynamiques, les mécanismes, ni l'évolution sur le long terme.

C'est donc en rupture avec ces approches antérieures que l'OTHU s'est construit en 1999, avec l'ambition de constituer un réseau d'observations: **intensives** (pour être sûr d'observer correctement les phénomènes quand ils se produisent et avoir une bonne couverture spatiale et temporelle des phénomènes dont la variabilité est grande), **fiables** ou du moins avec des incertitudes estimées, **pérennes** (pour intercepter des événements rares, intégrer l'évolution des systèmes techniques sur le long terme et mesurer l'impact des changements globaux (climatiques, développement urbain..., sur ces systèmes) et **interdisciplinaires** pour aborder des questions à l'interface de sciences aussi différentes que les sciences de l'ingénieur, l'écologie, l'urbanisme et la sociologie. Bernard Chocat en sera le père fondateur et premier Directeur.
# Introduction (suite)

## Les sites

Les sites principaux d'observation qui ont servi de support aux connaissances présentées dans cet ouvrage ont été choisis de manière à couvrir, autant que possible, des configurations variées en termes de bassin versant (caractéristiques physiques et type d'urbanisme), de système d'assainissement (réseau séparatif, réseau unitaire, système de gestion à la source) et de milieux récepteurs (nappes et rivières).

On trouvera ci-dessous la carte des sites de l'OTHU et dans le tableau les principales caractéristiques de ces sites. Ces sites sont aujourd'hui complétés :

- par un **dispositif pluviométrique et météorologique** réparti sur la totalité du territoire;

- **par des sites satellites (4)** plus faiblement instrumentés et suivis sur des périodes courtes. Ils viennent infirmer ou confirmer des tendances observées sur les sites de base ou visent à augmenter encore la diversité de situations;

- **par des sites ateliers (13)** ayant fait l'objet de suivis par le passé ou mobilisés dans le cadre de programmes de recherche, ils pourront être ponctuellement réactivés à des fins de recherche ou en lien avec des questions précises de suivis;

- **par des dispositifs de laboratoire** en conditions contrôlées en lien direct avec les observations faites sur le terrain.

## Légendes des sites expérimentaux de l'OTHU

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Débitmétrie

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Turbidité

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Pluviométrie

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Prél. Sédiments

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Température d'eau

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Préleveur eau

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pH

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Mesures arrêtées en 2013

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Conductivité électrique

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Mesures arrêtées en 2017

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Hauteur eau
<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Figure 1: SITES EXPÉRIMENTAUX DE L'OTHU</figcaption></figure>
# Introduction (suite)

<table><caption>Tableau 1: Récapitulatif des sites expérimentaux OTHU</caption><thead><tr><td>Informations</td><td>BV Yzeron</td><td>Chassieu Django-Reinhardt</td><td>Écully</td><td>Ecocampus la Doua IUT</td></tr></thead><tbody><tr><td>Type de bassin versant (BV)</td><td>Périurbain (130 km²)</td><td>Urbain dense (activité industrielle). 185 ha imperméabilisé à 70 % environ.</td><td>Urbain moyennement dense. Bassin versant: 245 ha, pentu, zone avec habitats résidentiels.</td><td>Urbain moyennement dense 100 hectares, activités universitaires.</td></tr><tr><td>Système d'assainissement</td><td>Réseau unitaire</td><td>Réseau séparatif pluvial dont l'exutoire est un <b>Bassin de rétention/ infiltration</b></td><td>Réseau majoritairement unitaire.</td><td>Destiné à l'étude des flux d'eau et de polluants, de la biodiversité produit par un BV muni de techniques alternatives innovantes de gestion des eaux pluviales (<b>tranchée, chaussées réservoir, noues, Bassin de retenue/infiltration de l'IUT</b>).</td></tr><tr><td>Milieux touchés par les rejets associés</td><td>Cours d'eaux intermittents dont les ruisseaux de la Chaudanne et du Mercier.</td><td>Rejet en nappe profonde (zone non saturée de l'ordre de 13 m).</td><td>Nombreux déversements par déversoir d'orage vers le ruisseau du Trouillat.</td><td>Rejet en nappe peu profonde (zone non saturée inférieure à 1 m pour le bassin d'infiltration).</td></tr><tr><td>Objectifs</td><td>Caractérisation des flux d'eau et de polluants produits sur ce BV et évaluation de leurs impacts sur de petites rivières.</td><td>Quantité et qualité des flux d'eau et de polluants produits sur ce BV et évaluation de leurs impacts sur la nappe.</td><td>Connaissance des flux d'eau et de polluants produits par ce BV.</td><td>Quantité et qualité des flux d'eau et de polluants produits sur ce BV et évaluation de leurs impacts sur la nappe. Analyse performante de ces techniques sur le plan hydraulique, environnemental et énergétique des ouvrages à la source. Perception des ouvrages à la source par différents acteurs.</td></tr><tr><td>État de fonctionnement</td><td>Suivi continu pluie (9 stations)/débit (9 stations) distribué sur des sous-bassins emboîtés.<br/>Suivi qualité via préleveurs amovibles (+ un bungalow remobilisable sur projet).</td><td>2 bungalows équipés + piézomètres nappe</td><td>1 bungalow équipé (déséquipé en 2013)</td><td>Depuis 2017 : instrumentation noues, tranchée et chaussée à structure réservoir à l'aide de 3 chambres de mesures équipées.<br/>Depuis 2001 : Bassin d'infiltration IUT équipé de piézomètres pour le suivi de la nappe, instrumentation complétée en 2021.</td></tr></tbody></table>
**Site à l'arrêt:** Le site « Lyon centre » situé en zone urbaine dense (habitations et activités commerciales) sur le campus de la DOUA avait été initialement équipé d'un bungalow pour le suivi des rejets en réseau unitaire avec un suivi des déversements via un déversoir d'orage dans le Rhône. Pour des raisons de maintenance trop importante, ce site a été arrêté en 2008.

**Sites ateliers :**

- le site Écully suivi finement jusqu'en 2013 et arrêté totalement en 2019 (déséquipé)

- le site de Grézieu la Varenne au sein du BV Yzeron (2,5 km², 3 bungalows équipés sur le ruisseau de la Chaudanne pour suivre l'impact des rejets d'un déversoir d'orage sur un cours d'eau périurbain intermittent), suivi finement jusqu'en 2018. Le site est progressivement déséquipé, seul le bungalow central (rejet déversoir d'orage) restera mobilisable en cas de besoin.

- le site du DSM (dispositif de surveillance et de maîtrise des flux) à Sathonay Camp, canal dont la conception permet de garantir des mesures et suivis fiables de débits et flux polluants déversés.

- le filtre planté de macrophytes de Marcy l'Étoile destiné au traitement des rejets d'un déversoir d'orage et qui a servi de support de recherche.

**Sites satellites (13 bassins rétention et/ou infiltration)** Bois Carré (Saint-Bonnet de Mure), Carreau (Décines), Centre Routier (Chassieu), Charbonnier (Vénissieux), Chemin de Feyzin (Mions), Chemin de Raquin (Chassieu), Grandes terres (Saint-Bonnet de Mure), Granges Blanches (Corbas), Leader (Saint-Priest), Léopha (Corbas), Minerve (Saint-Priest), Pithioud mi-plaine (Saint-Priest), Pivolles (Décines), Revoisson (Genas), Triangle de Bron (Bron) et ZAC du Chêne (Chassieu).

## Un ouvrage relatant plus de 20 ans d'observation

Maintenant que vous êtes informés de ce qu'est ce formidable outil de connaissances, il ne vous reste plus qu'à parcourir les différents articles classés en huit grandes rubriques. Chaque rubrique débute par une présentation générale de synthèse que l'on vous invite à lire au préalable pour en avoir une vision globale.

Ces articles qui rassemblent les principales avancées scientifiques et techniques peuvent être ensuite lus partiellement et dans le désordre. Ils sont synthétiques et ont été produits conjointement entre chercheurs et opérationnels sous l'œil attentif et parfois aussi la plume du GRAIE pour que ces articles puissent être, autant que possible, destinés à une lecture « profane ».

Bonne lecture donc !
# Stratégie 1

La gestion des eaux pluviales est en constante évolution pour répondre au mieux aux défis de notre siècle mais également pour satisfaire les attentes de la ville en constante mutation et de ses habitants.

La question 1 revient sur ces évolutions et montre la cible à atteindre: la gestion intégrée. La réponse n'est pas uniquement technique, elle est aussi organisationnelle et politique. Au cœur de ce changement, la collectivité est le maillon central (moteur ou inhibiteur). Les premiers retours d'expérience (question 2) montrent que repenser l'organisation interne des services peut fortement aider au changement. La question 3 propose d'expliquer en quoi les outils d'accompagnement sont également nécessaires et comment ils sont développés. Du point de vue technologique, il existe aujourd'hui de nombreuses solutions alternatives aux réseaux: ces aménagements sont souvent en surface, et en lien direct avec la ville et ses usagers. Ils occupent des espaces partagés (parc, parking, etc.). La question 4 traite d'un aspect fondamental de ces aménagements: leur intégration dans le paysage urbain et surtout leurs liens avec les usagers. Ces aménagements remplissent des fonctions autant sociales que techniques. Leur appropriation par les publics est un gage de leur réussite: comme le montre la question 5, les aménagements doivent servir les usagers ou riverains, mais il s'agit également d'éviter que ces mêmes publics les détériorent. Dans la continuité, la dernière question aborde l'entretien de ces ouvrages: la préoccupation est récente car le patrimoine est encore jeune, mais l'OTHU s'est déjà investie du sujet depuis plusieurs années.
# Pourquoi et comment gérer les eaux pluviales aujourd'hui ?

Frédéric Cherqui, INSA Lyon / Université Lyon 1 - Elodie Brelot, Graie - Sylvie Barraud, INSA Lyon

La gestion des eaux pluviales par un système «tout-tuyau» est une fuite en avant: concentrer les flux d'eau pour les évacuer au plus vite consiste à générer des risques à l'aval (d'inondation et de pollution) et à se priver des ressources de l'eau pour la ville (végétation et sols vivants, îlots de fraîcheur, biodiversité). Cette gestion de l'eau au plus près de la source appelle une conception totalement différente de l'aménagement et de l'urbanisme. Plus que de techniques et de gestion intégrée de l'eau, il s'agit de concevoir des territoires «eau-responsables»: un aménagement respectueux de l'eau, donc un fonctionnement fondamentalement transversal et pluridisciplinaire des services publics et des interventions sur le territoire.

infrastructures (installation et renouvellement), la modification du régime hydrologique des cours d'eau à l'aval, ou la pollution apportée au milieu naturel. Les villes se sont alors tournées vers les solutions visant à gérer l'eau pluviale à la source (au plus près de là où elle tombe). Ces solutions, souvent dites « alternatives » (au réseau) ont historiquement une fonction hydrologique principale: atténuer et/ou retarder les débits de pointe générés par le ruissellement sur les surfaces revêtues, réduire les volumes transférés vers l'aval (cas de l'infiltration). Cependant, en ville, un espace, même utilisé pour la gestion des eaux pluviales, est rarement dédié à cette seule fonction; il en assure bien d'autres: voirie, parking, cheminement, parc, terrain de sport, etc. La ville dispose en effet d'un foncier limité et il ne serait pas judicieux d'utiliser une partie de cet espace urbain uniquement quand il pleut ! Ces aménagements sont donc plurifonctionnels dès leur conception. Ces fonctions peuvent également évoluer selon la volonté du gestionnaire ou par la façon dont les publics les utilisent.

## Les tuyaux ne suffisent pas toujours pour gérer les eaux pluviales

À la fin du xxᵉ siècle, de nombreuses villes ont pris conscience des limites de la stratégie de l'imperméabilisation et du «tout-tuyau» initiée un siècle plus tôt. Citons notamment le gigantisme des ouvrages pour faire face aux extensions urbaines ou leur saturation (débordements), le coût de ces

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Figure 1 : Ensemble des fonctions de service (performances à assurer) des ouvrages de gestion des eaux pluviales (www.graie.org/micromegas-lyon/).</figcaption></figure>

## Vers une gestion intégrée

Ainsi les aménagements doivent assurer des fonctions très différentes, et la fonction hydraulique n'est pas nécessairement la fonction principale (il ne pleut en effet pas la majorité du temps). La figure 1 issue du projet MicroMégas propose une vision holistique de ces fonctions. On peut identifier des fonctions « traditionnelles » directement liées à la gestion de l'eau, par exemple « protéger les biens et personnes contre les inondations », « préserver la santé et la sécurité des personnes », « éviter les nuisances et risques divers » ou encore « préserver, voire favoriser les milieux naturels ». D'autres fonctions découlent directement du fait que ces ouvrages occupent l'espace urbain et sont en contact avec les publics urbains, comme par exemple « favoriser d'autres usages de la ville », « supporter d'autres fonctions techniques de la ville » ou encore « former et informer » (en installant par exemple des panneaux éducatifs sur l'eau pluviale et son parcours).

Une dimension de l'intégration est donc le partage de l'espace urbain pour une cohabitation de l'eau avec d'autres usages de la ville. Une autre dimension de l'intégration est de ne plus considérer indépendamment chaque système de gestion de l'eau. La vision historique consistant à distinguer l'eau usée, l'eau pluviale, l'eau potable ou l'eau d'agrément (fontaine) a de moins en moins de sens aujourd'hui: certaines villes comme Singapour produisent de l'eau potable à partir de l'eau usée (Lazarova et al., 2013), d'autres récupèrent les eaux pluviales pour des usages historiquement remplis par l'eau potable (arrosage, lavage, w.-c.). L'eau pluviale est également souvent le composant principal des trames bleues, support de biodiversité, mais également support de bien-être et de mise en valeur de la ville. Le dernier niveau d'intégration concerne les acteurs, et il devient
primordial de construire une vision commune (aménageurs, bureaux d'étude, collectivités, hydrologues, biologistes, usagers, etc.) des attentes et moyens à mettre en œuvre. Cette plurifonctionnalité est vécue pour certains comme une complexité qui freine l'adoption de ces solutions, mais c'est aussi et surtout une richesse apportant des bénéfices multiples pour la vie et la ville.

## Des concepts différents pour une idée commune

Cette approche de la gestion des eaux pluviales porte, selon les pays et les époques, des noms très différents. En Amérique du Nord, le concept de développement à faible impact (« low impact development») a émergé dans les années 1980. Vers la même époque, on a commencé à parler de gestion durable des eaux urbaines (« sustainable urban water management ») ou de conception urbaine sensible à l'eau (« water sensitive urban design ») en Australie. Plus récemment le président chinois Xi a inventé le concept de ville-éponge (« sponge city »). Même si ces concepts n'ont pas exactement les mêmes ambitions, l'image de la ville éponge illustre bien l'objectif de rendre sa perméabilité à la ville, pour qu'elle limite les ruissellements de surface afin de réduire les inondations et les conséquences en aval, et en vue de sa réutilisation. L'association internationale de l'Eau (IWA) a récemment lancé une initiative d'ambition plus large : les principes pour des territoires eau-responsables (« water-wise cities

principles »). Comme le montre la figure 2, il s'agit de planifier et concevoir des villes résilientes. L'objectif de ces principes est d'encourager des actions collaboratives, soutenues par une vision commune, de sorte que les gouvernements locaux, les professionnels urbains et les individus s'engagent activement à identifier et mettre en œuvre des solutions pour la gestion de toutes les eaux de la ville, en considérant trois nouveaux paradigmes : les ressources naturelles limitées, la densification urbaine vue à la fois comme une opportunité de développement économique et une menace pour la qualité de vie, et la nécessité de considérer l'incertitude de l'avenir dans la planification urbaine.

La réponse à la question de la gestion des eaux pluviales aujourd'hui n'est pas uniquement technique, elle est également organisationnelle et politique. L'OTHU est engagé depuis plus de vingt ans dans ce changement de paradigme en accompagnant les collectivités sur l'ensemble des aspects de la gestion des eaux pluviales en ville. Les données acquises dans le cadre des observations sur le long terme ont permis par exemple de proposer des méthodes d'aide à la décision s'appuyant sur l'évaluation multicritère des performances des ouvrages et de les rendre opérationnelles via des guides techniques (« L'infiltration en questions »¹ par exemple). Les articles de cet ouvrage sont autant de réponses que l'OTHU propose pour accompagner ces processus.

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Figure 2 : Illustration des 4 grands principes pour des territoires eau-responsables (IWA, 2016).</figcaption></figure>

## En Bref...

L'image de l'eau en ville a changé, tout comme ses usages. Bien que le système tout réseau ait permis de gérer l'évacuation des eaux pluviales pour limiter le risque d'inondation, il a aussi contribué à cacher ces infrastructures et à assimiler l'eau pluviale à une nuisance ou un risque. Certes, la majorité des eaux usées et potables continueront à transiter dans des tuyaux, mais depuis plusieurs décennies, les alternatives au tuyau se sont développées pour les eaux pluviales. Ces alternatives ne sont aujourd'hui plus marginales et permettent de penser et gérer un système bien plus élaboré, qui dépassent le cloisonnement historique eaux usées/eaux pluviales/eau potable.

## POUR ALLER PLUS LOIN

* ¹ Barraud S., De Becdellèvre 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 : recommandations pour la faisabilité, la conception et la gestion des ouvrages d'infiltration des eaux pluviales en milieu urbain - Guide édité dans le cadre du projet ECOPLUIES - ANR PRECODD - Ic.cx/ecopluies

* GRAIE - Page web sur les principes «Eau-Responsables». Mettre en valeur l'engagement des collectivités pour des territoires «Eau-Responsables» - Ic.cx/eauresponsables

* IWA (2016). The IWA Principles for Water Wise Cities - booklet, 6 p. Accessible : Ic.cx/iwa2016
# Quels rôles joue l'organisation des collectivités dans le développement du contrôle à la source des eaux pluviales ?

Nina Cossais, Université de Tours CITERES/Université de Lyon EVS - Anne Honegger, ENS de Lyon

Malgré leurs nombreux bénéfices, les techniques de gestion à la source des eaux pluviales restent, à ce jour, minoritaires face au réseau traditionnel. L'organisation des collectivités et leur fonctionnement bureaucratique sont souvent désignés comme des obstacles majeurs à leur développement... mais la réalité est plus nuancée.

## Malgré des qualités reconnues, le contrôle à la source peine à se généraliser

L'urbanisation croissante a entraîné, à partir de la deuxième moitié du xxᵉ siècle, une forte imperméabilisation du territoire, qui génère des ruissellements toujours plus importants. Pour remédier à cette situation, les spécialistes de la gestion des eaux pluviales appellent de leurs vœux un changement de paradigme. Ce changement dépasse le domaine de l'assainissement et intéresse particulièrement les acteurs de l'urbanisme. La nouvelle gestion de l'eau tend à se rapprocher au maximum de son cycle naturel, en valorisant l'eau en surface plutôt qu'enterrée dans des tuyaux. Les spécialistes encouragent l'adoption d'une approche globale afin d'intégrer au mieux les enjeux techniques, sociaux, économiques

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Photo 1 : Visite collective à Oullins dans le cadre du projet interne Ville Perméable, Métropole de Lyon (source N. Cossais, 5 juin 2016).</figcaption></figure>
et environnementaux liés à l'eau. « L'élargissement de la problématique doit donc se faire en renforçant les liaisons, d'une part avec l'aménagement urbain, et d'autre part avec la gestion des milieux aquatiques naturels » (Certu, 2003). Ce nouveau paradigme se concrétise par la mise en œuvre de solutions techniques spécifiques: les techniques alternatives (TA) et, en particulier, le contrôle à la source (CS) des eaux pluviales, au plus près de leur point de chute.

Ces ouvrages présentent des qualités hydrologiques reconnues dans les sphères techniques et scientifiques. Lorsqu'ils sont végétalisés, ils peuvent contribuer à un développement urbain plus durable. Pourtant, malgré de nombreuses expérimentations réussies depuis une cinquantaine d'années, le CS peine à se généraliser et à occuper une place dominante face au recours au réseau traditionnel.

## Une enquête en immersion au sein de la Métropole de Lyon

Comme pour toute innovation, l'inertie, le fonctionnement bureaucratique ou technocratique des organisations en charge de la mise en œuvre et de l'entretien des ouvrages de CS serait un des obstacles majeurs à leur développement

(Patouillard et al., 2013). Notre enquête en immersion au sein des services de la métropole de Lyon, entre 2015 et 2018, nous permet de nuancer cette assertion. À partir de l'étude de cette collectivité pionnière, nous montrons que l'organisation des collectivités limite effectivement la généralisation du CS mais offre, néanmoins, des marges de manœuvre qui favorisent son expérimentation.

L'approche socio-anthropologique mise en œuvre s'appuie sur quatre modes d'enquête complémentaires: l'immersion longue, entre 2015 et 2018, au sein du bureau d'études de la direction de l'eau, la participation au projet interne Ville Perméable <fnref n="1" /> (Cossais et al., 2016), des périodes d'observation participante d'un mois auprès des quatre principaux services impliqués dans la gestion des ouvrages ainsi qu'une campagne d'entretiens semi-directifs auprès des concepteurs impliqués dans les projets d'aménagement pilotés par la métropole de Lyon.

Pour évaluer les conditions de généralisation de nos résultats, nous avons en outre mené une enquête secondaire auprès d'autres collectivités: Strasbourg, Montréal et Melbourne. Nous avons également participé à des groupes de travail et à des conférences scientifiques et techniques consacrés à la gestion des eaux pluviales urbaines <fnref n="2" />.

<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>Figure 1 : Services techniques impliqués dans l'entretien d'un bord de voirie, rue Hélène-Boucher à Bron (Cossais, 2019, p. 121).</figcaption></figure>

<footnote n="1">¹ Le guide issu du projet est disponible sur le site www.grandlyon.com</footnote>

<footnote n="2">² Groupe de travail eaux pluviales et aménagement du GRAIE, groupe de travail et d'échanges, service de gestion des eaux pluviales de la Fédération Nationale des Collectivités Concédantes et Régies (FNCCR).</footnote>
## Le contrôle à la source bouscule l'organisation et les compétences traditionnelles des services des collectivités

Le témoignage des chefs de projets confirme le rôle joué par la métropole de Lyon parmi les collectivités pionnières en matière de gestion des eaux pluviales. Les TA y sont mises en œuvre depuis les années 1990. La généralisation de l'étude systématique du recours au CS dans les projets d'aménagement est néanmoins très récente (2015 environ) et le retour d'expérience reste faible, peu formalisé et peu partagé en dehors du bureau d'études de la direction de l'eau. La répartition des tâches de conception, de réalisation et d'entretien entre services reste floue. Dans un contexte de réorganisation des services métropolitains, le développement du CS bouscule les processus interservices et questionne les compétences des agents. La gestion des eaux pluviales ne fait de plus généralement pas partie des enjeux prioritaires des projets d'aménagement. Néanmoins, les parcours individuels et les relations informelles favorisent largement l'expérimentation de ces techniques.

Dans l'ensemble, les services en charge de l'entretien de l'espace public font face à des restrictions budgétaires, qui rendent leurs dirigeants sceptiques vis-à-vis de certains nouveaux modes de faire. L'interdiction des produits phytosanitaires renforce encore les tensions et peut entraîner le rejet de certaines techniques favorables à la prolifération des végétaux, comme les revêtements perméables. De plus, la répartition des responsabilités, des budgets et des tâches d'entretien et de maintenance est perçue comme complexe. Les noues végétalisées, par exemple, peuvent nécessiter l'intervention de quatre services différents (figure 1). Enfin, la gestion patrimoniale des TA pose de nombreuses questions, portant aussi bien sur les conditions de réalisation et de suivi d'un inventaire des ouvrages que sur la nature des tâches d'entretien et de maintenance à programmer et leur fréquence.

Les agents de la voirie, du nettoiement et des espaces verts qui interviennent directement sur le terrain ont une faible connaissance des TA. N'ayant généralement pas connaissance du rôle hydraulique des ouvrages ou des aménagements qui se situent sur le territoire dont ils ont la charge, ils n'ont pas d'avis sur la gestion alternative des eaux pluviales.

Les égoutiers, en revanche, ont un avis mitigé sur les TA. Les descentes en égouts se font de plus en plus rares et le temps qu'ils passent sous terre ne permet plus d'atteindre les 800 heures jugées nécessaires par la Caisse Nationale de Retraite des Agents des Collectivités Locales pour continuer à bénéficier du statut d'insalubrité (départ anticipé à la retraite et horaires réduits). Si de nombreux égoutiers pointent du doigt le temps passé sur les ouvrages de gestion des eaux pluviales pour expliquer ce fait, l'observation-participante révèle d'autres raisons. Premièrement, la mécanisation diminue la part du travail physique au profit de tâches de surveillance, qui nécessitent moins de temps en égout. Deuxièmement, il s'avère parfois difficile de constituer les équipes de trois personnes nécessaires aux descentes en égout. En dehors des questions importantes liées à leur statut et aux bénéfices sociaux qui y sont liés, certains égoutiers voient dans l'évolution récente de leurs activités, en lien avec

l'augmentation constante du patrimoine lié au CS, une remise en question de leurs compétences traditionnelles et craignent la disparition de leur métier. C'est leur identité professionnelle qui se joue ici. À l'inverse, certains voient dans la gestion à la source des eaux pluviales des perspectives d'évolution intéressantes (Cossais et al., 2018).

## L'organisation des collectivités constitue un frein à la généralisation des techniques à la source

Sur le plan de la conception des ouvrages, les chefs de projets soulignent le manque de retour d'expérience dont ils disposent. La gestion des eaux pluviales n'apparaît pas comme un moteur des projets d'aménagement, principalement motivés par des questions d'attractivité, de mobilité, de sécurité et d'amélioration du cadre de vie. Les procédures en vigueur pour la validation des avant-projets ainsi que les critères de choix des ouvrages ne permettent pas de prendre en compte les bénéfices multiples liés aux TA. Néanmoins, la trajectoire personnelle de certains chefs de projets, sensibilisés à la question de la gestion de l'eau, et/ou leurs liens avec des acteurs impliqués dans le développement du CS, les amènent à favoriser ponctuellement le recours au CS.

Même si la métropole de Lyon fait figure de cas particulier du fait du grand nombre de ses employés (environ 9000), des missions diverses qu'elle assure et de son implication, dès les années 1990, dans la gestion alternative des eaux pluviales, de nombreuses collectivités font face à des difficultés comparables sur le plan du développement du CS. Les cas de Strasbourg et de Montréal confirment les tensions concernant la répartition des tâches et des budgets entre services. Le cas de Melbourne, quant à lui, alerte sur les risques concernant la durabilité des ouvrages, liés aux difficultés d'entretien et de maintenance également observés sur son territoire.

L'organisation des collectivités constitue ainsi, en partie, un frein à la généralisation du CS. La Métropole de Lyon s'est structurée autour de grands projets d'équipement, comme les axes routiers majeurs ou le réseau d'assainissement. Ces projets nécessitaient l'intervention de services dédiés, constitués d'agents spécialisés. Le nouveau paradigme de la gestion de l'eau exige, lui, une approche globale. Les ouvrages de CS sont des objets caractéristiques de ce nouveau paradigme. Leur mise en œuvre et leur entretien font appel à un nombre important de services techniques et mettent à l'épreuve leur coopération et leur coordination.

## L'existence d'un réseau interpersonnel favorable à l'innovation rend possible l'expérimentation au sein des collectivités

Au-delà des freins précédemment décrits, notre analyse met également en lumière le rôle crucial joué par les collectivités dans l'expérimentation de nouvelles techniques. Il existe, dans leur fonctionnement, des marges de manœuvre qui sont particulièrement propices à l'expérimentation de nouveaux dispositifs techniques. Cette souplesse permet à des acteurs qui agissent en réseau d'adopter des stratégies d'innovation. Ce réseau s'appuie principalement sur des
relations interpersonnelles fondées sur des systèmes de valeurs partagées. La mobilité interne des agents au sein de la métropole favorise la croissance et la solidité du réseau. Les

processus interservices restent néanmoins à perfectionner pour améliorer la circulation des informations et passer de l'expérimentation du CS à sa généralisation.

## En Bref...

Saturés, les réseaux d'assainissement provoquent inondations et rejets de polluants. Après quarante ans d'expérimentations, quelques collectivités s'engagent dans les années 2010 vers la généralisation du Contrôle à la Source (CS). L'analyse des projets d'aménagement pilotés, conçus et entretenus par la métropole de Lyon montre que l'organisation des collectivités limite la généralisation du CS mais offre des marges de manœuvre propices à l'expérimentation. L'organisation des collectivités joue un rôle moteur, grâce au réseau des partisans du CS, et un rôle inhibiteur, lié à la persistance d'effets de silos limitant la capacité et la volonté des services à collaborer.

## POUR ALLER PLUS LOIN

* **Cossais N.,** (2019). Gestion intégrée des eaux pluviales : position des services techniques urbains et évolution induite des métiers. Métropole de Lyon - Urbia - Les Cahiers du Développement Urbain Durable, n° 5, p. 113-128 - lc.cx/cossais2019

* **Cossais N.,** (2021). Les rôles différenciés de l'organisation des collectivités dans la fabrique de la ville perméable. La généralisation du contrôle à la source des eaux pluviales à la métropole de Lyon. Thèse de doctorat en Aménagement de l'espace et Urbanisme, Université François-Rabelais de Tours, 616 p.

* **Patouillard C., Toussaint J.-Y., Vareilles S.,** (2013). Changements climatiques et résistances aux changements. Premières considérations à partir de l'étude de la diffusion des Techniques. Alternatives d'assainissement. 1970-2010. Le cas de l'agglomération lyonnaise et du pays de Galles. Villeurbanne : INSA de Lyon, 67 p. - HAL Id : halshs-00967741, version 1 - lc.cx/patouillard2013
# Quels sont les outils méthodologiques d'aide à la décision pour accompagner le changement de paradigme ?

Frédéric Cherqui, INSA Lyon/Université Lyon 1 - Laëtitia Bacot, Graie - Sylvie Barraud, INSA Lyon

Le principal enjeu actuel est le passage d'une gestion d'un système d'assainissement au développement d'un système de gestion intégrée des eaux urbaines. Pour accompagner cette transition, les acteurs opérationnels ont besoin d'outils méthodologiques permettant d'orienter et d'éclairer leur choix.

## Les origines du climat urbain

Pourquoi parle-t-on souvent de changement de paradigme pour la gestion des eaux pluviales ? Un paradigme est une représentation de notre réalité, un modèle ou une façon de l'appréhender. C'est donc également une vision de comment doit se faire la gestion des eaux pluviales (objectifs et solutions). Sans refaire l'histoire de la gestion de l'eau en ville, on peut noter qu'au début du siècle dernier, l'eau pluviale est vue principalement comme une nuisance, un risque. La

préoccupation première est de l'évacuer le plus rapidement possible de la ville, la rivière jouant souvent le rôle d'égouts sans réelle considération de l'impact sur le milieu naturel. Aujourd'hui l'eau pluviale est aussi (et peut-être même surtout dans certains territoires) une ressource importante qu'il convient de valoriser. Le lecteur intéressé pourra notamment consulter Mahaut (2009). La ville ne doit plus être étanche mais elle doit au contraire laisser l'eau s'infiltrer et tendre à impacter au minimum le cycle naturel de l'eau. Les aménagements de gestion à la source des eaux pluviales sont une solution majeure de ce changement de paradigme. Ces solutions sont elles-mêmes très éloignées des solutions du siècle dernier. Les réseaux sont en effet des ouvrages très techniques, fabriqués et maintenus par des ingénieurs et techniciens. Les ouvrages dit « alternatifs au réseau » sont souvent plus végétalisés, co-construits, pluridisciplinaires et dépendants des processus naturels (voir par exemple la photo 1).

Au sein de l'OTHU, plusieurs projets de recherche ont visé à apporter des réponses méthodologiques pour aider les collectivités à accomplir ce changement progressif de paradigme.

<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>Photo 1 : Aménagements pour la gestion des eaux pluviales du type « jardin de pluie », Meyzieu. La végétation joue plusieurs rôles importants : esthétique, support de biodiversité, elle protège également l'aménagement (qui pourrait sinon être piéliné) et contribue à maintenir la perméabilité du sol (source F. Cherqui, 2015).</figcaption></figure>
## Le principe des outils méthodologiques d'aide à la décision

L'aide à la décision regroupe l'ensemble des méthodes ou processus qui permettent à un décideur (personne, groupement de personnes ou organisme) de tendre vers la meilleure prise de décision possible. L'outil opérationnel élaboré aide le décideur (à qui revient le choix in fine), il ne conduit jamais seul à la décision. Il est toujours assez difficile de parler de la « meilleure décision » car il s'agit souvent de compromis et donc de renoncements. On utilisera donc plutôt le terme de décision la plus adaptée au contexte ou de décision éclairée.

Ces outils méthodologiques reposent sur des méthodes scientifiques telles que :

* les méthodes d'analyse multicritère ou les systèmes d'évaluation des performances (formulation et évaluation d'indicateurs, construction de critères de synthèse);

* les outils d'analyse fonctionnelle (notamment les normes de la famille NF X 50) qui permettent de caractériser un système à travers les fonctions qu'il doit remplir. Ces fonctions sont souvent mal connues ou mal définies : elles sont pourtant un prérequis nécessaire à l'évaluation des performances du système;

* les outils de management de la qualité (notamment les normes de la famille ISO 9001) et plus spécifiquement les méthodes d'identification des risques ou d'identification des causes de défaillances. Ces méthodes permettent également d'évaluer les performances d'un système (en termes de risques ou d'impacts), mais aussi de rechercher les facteurs de limitation de performances;

* les outils statistiques, notamment pour la collecte et l'analyse des données issues de cas d'étude, ainsi que pour l'interprétation de ces données.

L'OTHU a produit un grand nombre d'outils méthodologiques en lien avec la gestion des eaux pluviales. Ces guides et fiches techniques traitent des sujets extrêmement divers, allant de la préconisation pour la conception et la gestion des ouvrages jusqu'à la méthode d'évaluation du service rendu par le système de gestion des eaux.

## Le fruit d'une collaboration entre les opérationnels et les chercheurs

La démarche d'élaboration de ces outils d'aide à la décision diffère assez peu de celle utilisée en ingénierie écologique (Rey et al., 2014).

Il s'agit tout d'abord de transcrire les questions de l'ingénieur en questions de recherche afin de définir les objets et sujets de recherche particuliers qui seront développés. L'étape suivante

consiste à mettre en place des méthodologies et protocoles expérimentaux spécifiques permettant de répondre à ces questions. Ce travail repose en général fortement sur l'utilisation et le développement de connaissances pluridisciplinaires et de connaissances non scientifiques. Les méthodologies et protocoles sont ensuite traduits en outils opérationnels et expérimentés sur des terrains d'études.

Une difficulté majeure est qu'il est souvent impossible de valider la méthode développée par la validation des résultats obtenus. La validation repose alors fréquemment sur l'explicitation de la démarche méthodique de construction de la méthode, la méthodologie. Ainsi le problème de construction d'une méthode à destination du monde professionnel évolue de « la détermination de la bonne façon d'agir (rationalité substantive) à la recherche d'un mode de détermination d'une façon d'agir (rationalité procédurale) » (Simon, 1991).

En d'autres termes, il est souvent très difficile de valider une méthode en validant les résultats qu'elle produit; la seule possibilité de validation est alors de valider (ou justifier) les étapes de construction de cette méthode.

Ainsi par exemple, aider les acteurs à choisir les stratégies les plus performantes pour améliorer les niveaux de service de leur système de gestion des eaux urbaines, revient principalement à construire une évaluation : un espace de discussion entre différents savoirs « experts » autour de critères et d'informations répondant à leurs questions, afin de rationaliser les décisions et de permettre aux acteurs d'avoir un choix éclairé.

## En Bref...

L'évolution souhaitée d'un système cloisonné de gestion des eaux (pluviales/usées/potable) vers un système « holistique » complexifie son pilotage. Cela ne pourra se faire qu'avec l'aide d'outils et de méthodes d'aide à la décision adaptés à la prise en compte de cette nouvelle complexité. Nous proposons ici une discussion sur les outils d'aide à la décision et leur construction.

## POUR ALLER PLUS LOIN

* **Mahaut V.** (2019). *L'eau et la ville, le temps de la réconciliation - Jardins d'orage et nouvelles rivières urbaines*. Thèse de doctorat, École Polytechnique de Louvain, 429 p. - lc.cx/mahaut2009

* **Rey F., Gosselin F., Doré A.** (coord.) (2014). *Ingénierie écologique : action par et-ou pour le vivant ?* Editions Quae, 165 p., ISBN : 978-2-7592-2135-6 - lc.cx/rey2014

* **Thebault E.** (2019). *La ville à fleur d'eau : Doctrines, techniques et aménagements de l'eau de pluie et des cours d'eau dans l'agglomération parisienne, 1970-2015*. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02412423
# Quel(s) lien(s) entre les usagers et les aménagements de gestion des eaux pluviales ?

Frédéric Cherqui, INSA Lyon/Université Lyon 1 - Jean-Yves Toussaint, INSA Lyon

Qu'ils soient chercheurs, aménageurs, paysagistes ou collectivités territoriales, les promoteurs des techniques alternatives de gestion des eaux pluviales mettent l'accent sur la nécessité d'intégrer au mieux ces dispositifs dans les aménagements urbains. Il est ainsi fondamental de définir les usages produits ou induits par ces aménagements dès leur conception.

## Usages et fonctions des aménagements: de quoi parle-t-on ?

Quand on s'intéresse à ce qu'on peut attendre des aménagements de gestion des eaux pluviales, il devient important de distinguer les usages des fonctions. En simplifiant il s'agit de considérer deux points de vue : celui du fabricant qui conçoit un produit devant répondre à des fonctions spécifiques et celui du client (ou utilisateur) qui va utiliser le produit (usages). Prenons l'exemple simple du stylo, sa fonction est d'écrire et un de ses usages est de prendre des notes.

Les fonctions correspondent aux moyens à mettre en œuvre pour qu'un système puisse être approprié à des activités, pour permettre le fonctionnement du système. Pour la gestion des eaux pluviales, il s'agit donc principalement de stocker, d'infiltrer, d'évaporer, de filtrer, etc. On peut distinguer les fonctions de service et les fonctions techniques. La fonction de service, selon les normes NF EN 1325-1 et NF X 50-151, correspond à l'action attendue d'un produit pour répondre à un élément du besoin d'un utilisateur donné. La fonction technique, selon ces mêmes normes, est l'action interne au produit (entre ses constituants), choisie par le concepteur réalisateur dans le cadre d'une solution, pour assurer un ou des service(s). Par exemple, une fonction de service d'un bassin de rétention est de protéger contre les inondations et la fonction technique associée est la rétention d'eau.

Les usages sont l'ensemble des règles qui régissent les comportements individuels et collectifs (règles d'engendrement des pratiques). Les usages règlent les interactions entre les individus et les groupes d'individus, en réglant l'accès aux objets fabriqués et aux dispositifs techniques ainsi que leur mobilisation dans les activités sociales individuelles et collectives. Ces règles sont généralement implicites et pas toujours codifiées dans le droit (habitudes, habitus, routines, etc.). En ce sens, les usages rendent escomptables les comportements d'autrui: c'est parce que ces règles existent que j'escompte le comportement d'autrui, que je peux coordonner mon comportement à celui

des autres, sans recours à aucune instance de coordination dans l'activité quotidienne (typiquement marcher dans la rue, la foule dans la rue). Une règle d'usage simple d'un chemin piéton est par exemple de marcher à droite en France et à gauche en Australie: celle-ci est connue de tous et ne nécessite pas d'être rappelée sur un panneau de signalisation. Traditionnellement la conception d'un ouvrage de gestion des eaux pluviales est réalisée par un ou plusieurs experts, en utilisant différents outils de modélisation et en se basant sur les fonctions escomptées du système à concevoir. À la différence des tuyaux, les aménagements « modernes » de gestion des eaux pluviales sont souvent en surface et en interaction directe avec les publics urbains. Ces aménagements doivent donc s'adapter aux normes sociales d'usage en ville, pour garantir leur intégration dans la ville.

## Des aménagements de gestion des eaux pluviales multifonctionnels

Du point de vue de la gestion de l'eau, les objectifs sont de retenir l'eau, de l'infiltrer quand c'est possible, et de retenir la pollution. Lorsqu'on considère l'aménagement lui-même, les fonctions sont bien plus nombreuses: la figure 1 en recense un grand nombre (le terme performance est ici considéré comme un synonyme de fonction).

Les fonctions souhaitées vont ainsi conduire à créer des aménagements de nature très différente. Il pourra s'agir d'un bassin de rétention-infiltration, d'une chaussée poreuse, d'une noue, etc. La figure 2 montre des exemples de la diversité des aménagements possibles.

## Des usages qui dépendent de la fréquentation et du type d'aménagement

Une étude spécifique (Ah-leung et al., 2013) d'un aménagement sur le territoire de la Métropole de Lyon (le parc Kaplan comprenant un dispositif de rétention/infiltration des eaux pluviales, figure 3) a montré les nombreux usages mobilisés autour de cet aménagement. Trois dispositifs d'enquête ont été mobilisés: une recherche documentaire sur les « traces » du projet (documents administratifs, délibérations, bulletins municipaux, etc.), des entretiens auprès des acteurs impliqués dans la fabrication du parc et des observations in situ des pratiques.

Une soixantaine de comportements différents ont été observés au cours de l'été et du printemps 2012: courir, promener son chien, grimper sur les gabions, lire, fumer, surveiller des enfants, sauter dans l'eau, jouer, jouer au
<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>**Figure 2** : Exemples d'aménagements de gestion des eaux pluviales : noues, bassin d'infiltration, jardin de pluie, parking à chaussée poreuse, et bassin d'infiltration servant de terrain de football (source : F. Cherqui).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_26.png" /></figure>
football, pique-niquer, travailler, discuter, se droguer, etc. Ces comportements mobilisent des dispositifs techniques constituant l'aménagement (« douve »<fnref n="1" />, gabions<fnref n="2" />, balançoires,

bancs, arbres, clôtures, plantes, etc.). Ils mobilisent également d'autres objets et dispositifs techniques comme des livres, des ordinateurs, des boîtes à pique-nique, des ballons ou des vélos. Ces comportements concernent des adultes (parents, travailleurs, personnes âgées), des enfants et des adolescents. La constitution de ces publics autour du parc dépendrait de son aménagement et de la présence de bureaux, de logements et d'une école dans les environs.

<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>Figure 3 : Schéma d'ensemble et photographies du parc Kaplan (Ah-leung et al., 2013).</figcaption></figure>

<footnote n="1">¹ Fossé normalement rempli d'eau et entourant un élément du paysage urbain (en référence aux défenses des châteaux fortifiés).</footnote>

<footnote n="2">² Cage métallique remplie de pierres et initialement utilisée comme mur de soutènement avant de devenir un élément qui a eu son heure de gloire architecturale.</footnote>
Parmi ces publics, les parents, les travailleurs et les enfants sont majoritaires.

L'analyse des pratiques observées sur le parc suggère que celui-ci est perçu globalement comme un square ou un jardin public, voir comme un terrain de jeux ou de sport. Les comportements observés renvoient aux pratiques habituelles en ces lieux; ces pratiques sont typiques de celles communément admises dans les parcs et jardins. En cela, les dispositifs de gestion des eaux pluviales ne semblent pas se distinguer des autres dispositifs techniques formant l'aménagement sur le plan des pratiques et des publics urbains: la fonction d'assainissement et plus généralement de gestion des eaux pluviales est invisible ou transparente à l'usage.

Les usages des aménagements vont ainsi dépendre directement de l'aménagement lui-même et de son environnement. Les fonctions urbaines remplies par l'aménagement conditionnent en partie ses usages: un aménagement type parc ou jardin aura les usages habituellement observés dans un parc ou jardin, un aménagement du type parking aura également des usages en concordances. L'environnement urbain et l'accessibilité jouent également un rôle très important puisque les usages dépendent aussi des publics fréquentant l'aménagement (âge, profession, motif de fréquentation de l'aménagement, etc.). En conclusion, il ne faut pas considérer uniquement la fonction hydraulique de l'ouvrage au moment de sa conception. Il est fondamental de définir les usages produits ou induits par

la morphologie urbaine et les types urbains (les différents aménagements qui donnent leurs formes aux territoires urbanisés) dès la conception de l'ouvrage.

## En Bref...

Le système qui sert à la gestion des eaux pluviales ne doit plus être considéré comme un ouvrage mais comme un aménagement. Il ne s'agit plus en effet de réaliser des objets techniques avec une fonction principalement hydraulique, mais bien de penser la gestion de l'eau dans l'organisation de la ville et son aménagement.

## POUR ALLER PLUS LOIN

* Ah-Leung S., Baati S., Patouillard C., Toussaint J.-Y., Vareilles S., (2013) *Que fabrique-t-on avec les eaux pluviales urbaines ? Les dispositifs techniques et les usages du parc Kaplan dans l'agglomération lyonnaise.* 8e conférence NOVATECH, 23-27 juin, Lyon, France.

* Cherqui F., Granger D., Métadier M., Fletcher T., Barraud S., Lalanne P. et Litrico X., (2013) *Indicators related to BMP performances: operational monitoring propositions*. 8e conférence NOVATECH, 23-27 juin, Lyon, France.
# Comment les publics mobilisent-ils les dispositifs alternatifs de gestion des eaux pluviales ?

Sébastien Ah-leung, INSA Lyon

En participant à la réintégration de la «nature» en ville, les techniques alternatives de gestion des eaux pluviales remplissent des fonctions autant sociales que techniques. Cependant, l'installation de ces dispositifs dans l'espace public peut, dans certains cas, poser des problèmes d'appropriation par les publics et engendrer une dégradation des ouvrages.

## Pourquoi observer les relations entre techniques alternatives et publics ?

En France, depuis une quarantaine d'années, les techniques dites « alternatives » au réseau se sont développées pour gérer les eaux pluviales. Ces dernières participent aux aspirations

partagées par les élus, les gestionnaires et les populations sur la réintégration de la «nature» en ville. Elles proposent davantage une gestion de l'eau à la parcelle à travers un ensemble de dispositifs hybrides aussi bien dans leurs apparences (mi-naturel; mi-artificiel) que dans les fonctions qu'on peut leur attribuer. En effet, les techniques alternatives (TA) peuvent présenter des caractéristiques techniques et des formes variées (noues, bassins, filtres plantés, etc.) mais aussi cumuler des fonctions techniques (épurer les eaux pluviales) et sociales (participer au bien être en ville) (figure 1).

Toutefois, l'installation des techniques alternatives dans l'espace public par les fabricants semble provoquer auprès des publics de nombreux problèmes d'appropriation. Sous le terme englobant de « fabricants », se cache une myriade de rôles allant du concepteur de l'objet (ingénieur, chercheur, etc.) au gestionnaire de ce dernier (collectivité, technicien, entreprise, etc.). Ces fabricants construisent et permettent la vie en ville grâce aux objets et/ou dispositifs qu'ils estiment nécessaires (quelles que soient les raisons et justifications

<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>Figure 1 : Les TA regroupent une large palette d'ouvrages : bassins, filtres plantés de roseaux, noues, etc. construits de manière différente dans des environnements divers (source S. Ah-leung).</figcaption></figure>

© Ah-leung S. - 2012-2017
avancées). Les « publics », quant à eux, qualifient l'ensemble des personnes susceptibles d'être confrontées aux dispositifs dans l'espace public.

Ces problèmes d'appropriation se caractérisent par une utilisation des TA à des fins non prévues et peuvent engendrer des dysfonctionnements. Par exemple, dans le cas d'un bassin de rétention des eaux pluviales, l'attrait lié à l'eau combiné à des périodes de fortes chaleurs peut entraîner des publics à entrer et nager à l'intérieur du bassin. Se faisant, le public peut endommager l'ouvrage, notamment en déchirant le géotextile recouvrant le fond du bassin. Cette détérioration peut engendrer un dysfonctionnement de l'ouvrage et d'éventuels risques de contamination de la nappe phrétique. Il est donc important de comprendre les réactions et comportements des publics vis à vis de ces aménagements. L'objectif est d'adapter le cahier des charges de ces ouvrages pour à la fois améliorer leur réception et leur intégration dans l'espace public, mais également pour en limiter les usages incompatibles.

## Que nous apprennent ces observations ?

L'observation des comportements résultant des relations entre publics et TA a permis de constater un certain nombre

d'éléments relatifs aux activités, aux publics et à l'installation des TA en milieu urbain.

## De multiples utilisations des TA par les publics

Les dispositifs de gestion des eaux pluviales semblent susciter de multiples comportements dont l'intensité et la diversité différent selon les dispositifs étudiés (tableau 1). Ces comportements peuvent être associés à plusieurs activités (sportives, ludiques, etc.) et varient en fonction de nombreuses variables: mineures (les saisons, les conditions météorologiques, la localisation, etc.) et majeures, comme le type de public ou encore la composition et le type de dispositif. Par exemple, les bassins de rétention et/ou d'infiltration semblent susciter davantage de comportements que les autres types de techniques alternatives. Les frontières entre ces catégories ne sont pas étanches et certaines différenciations peuvent poser question: par exemple, lorsqu'un groupe d'enfants joue avec un ballon, est-ce un comportement découlant d'une activité sportive ou bien d'une activité ludique? Ainsi, ce classement dispose d'une part de subjectivité et le classement d'une activité dans une catégorie se fait donc à l'appréciation de l'observateur en fonction des situations d'action observées sur le terrain. Les dispositifs de gestion des eaux pluviales représentent

<table><caption>Tableau 1 : Principaux comportements observés sur les TA.</caption><thead><tr><th>Types d'activités</th><th>Sous-types</th><th>Principaux comportements observés</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="5">Loisirs</td><td>Sociabilité</td><td>Badiner, se retrouver, discuter</td></tr><tr><td>Sportives</td><td>Courir, faire du badminton, de l'apnée, de la moto, du canoë, du cheval, du roller, du skate, du vélo, du volley, de la trottinette; jouer à la pétanque, au football, au golf, au rugby, au tennis; nager, pêcher, plonger</td></tr><tr><td>« Ludiques »</td><td>Aller chercher le ballon dans les bacs, jouer avec les cailloux, creuser des trous, glisser sur les pentes, grimper, jeter des objets, jouer à l'élastique, jouer au ballon, jouer avec des morceaux de fer, jouer avec le caillebotis, jouer avec la végétation ou les infrastructures, marcher sur les gabions, observer les exutoires, récupérer des algues, se cacher</td></tr><tr><td>De nature</td><td>Bronzer, contempler le paysage, jeter des cailloux, jouer avec les animaux sauvages, nourrir les animaux sauvages ou errants, observer les animaux, pique-niquer, prendre des photos, ramasser des cailloux, s'allonger dans l'herbe, tremper ses pieds dans l'eau, faire du feu</td></tr><tr><td>Autres « loisirs »</td><td>Ecouter de la musique, fumer, s'allonger sur les bancs, s'asseoir sur les éléments d'infrastructure, taguer</td></tr><tr><td rowspan="3">Domestiques</td><td>Liées aux enfants</td><td>Faire marcher les enfants sur les gabions, surveiller les enfants</td></tr><tr><td>Liées aux animaux</td><td>Enterrer les animaux domestiques, jouer avec ou promener son animal de compagnie</td></tr><tr><td>Liées aux tâches ménagères</td><td>Battre des tapis de voiture, étendre son linge</td></tr><tr><td>Professionnelles</td><td></td><td>Travailler, réviser, écrire, lire, lire les panneaux</td></tr><tr><td>Liées aux déplacements</td><td></td><td>Faire du quad, du scooter, du vélo, garer son véhicule ou son vélo, se promener, traverser</td></tr><tr><td>Liées aux besoins physiologiques</td><td></td><td>Se reposer, se restaurer</td></tr><tr><td>Illégales ou inappropriées</td><td></td><td>Endommager la végétation, endommager les clôtures, faire des feux d'artifices, retirer des cailloux, sauter sur les éléments d'infrastructure, jeter des branches ou des cailloux, boire des boissons alcoolisées, casser de éléments de l'infrastructure, faire nager son chien dans les bassins, faire du feu pour cuisiner, avoir des rapports sexuels, jeter des déchets, acheter/vendre des cigarettes ou du haschich, traverser les espaces verts en véhicule motorisé, uriner</td></tr></tbody></table>
## Comment sont observés ces pratiques et usages ?

L'enquête est basée sur de l'observation directe in situ se déroulant à tous moments de la journée. Elle a été réalisée pendant dix-huit mois sur douze sites différents et quatre types de TA. Cette méthode nous a permis de collecter des comportements avec une modification minime du cours de l'action. De plus, l'observation a été couplée avec une prise de photos systématisée dans le but de figer les comportements observés (figure 2).

L'aide de l'OTHU a été précieuse dans la sélection des sites à enquêter grâce notamment à une base de données et à la connaissance, par les chercheurs et les praticiens, des différents sites de la métropole lyonnaise. Les retours d'expérience provenant d'études actuelles ou antérieures locales ou nationales ont permis d'adopter la méthodologie adéquate.

donc pour les publics des lieux de sociabilisation, de jeux et de détente. Toutefois, l'activité sociale présente n'est pas spécifique à ce type de dispositif: des activités similaires peuvent être observées dans d'autres espaces qui n'en sont pas pourvus.

## Les caractéristiques des publics ont une influence sur les comportements observés

Les publics ne constituent pas une entité homogène lisse, ils se caractérisent à travers différents critères qui jouent un rôle dans les fluctuations observées au sein de l'activité sociale. Cette diversité est qualifiée à travers trois critères: l'âge, le genre et la configuration.

Tout d'abord, nous pouvons constater qu'une partie des comportements est observable sur la totalité des publics. En effet, des comportements comme promener son animal de compagnie ou se restaurer ne sont pas attribués à un type de public en particulier. De même, le fait d'être un homme ou une femme n'a qu'une influence mineure sur le nombre et le type de comportements (à l'exception des enfants où les différences sont assez nettes entre garçons et filles). En revanche, lorsque l'on considère la répartition des comportements par âge, des différences apparaissent en termes de diversité mais aussi de nature. Les enfants présentent des comportements plus nombreux et plus variés que les autres catégories d'âges. Enfin, l'étude des configurations (réalisation d'activités seul, à deux ou en groupe) montre que lorsque les individus sont seuls, leurs comportements sont plus nombreux et plus diversifiés. Chacune de ces caractéristiques semble façonner l'activité sociale liée aux objets de nature et explique en partie les différences pouvant exister entre deux dispositifs techniques disposant des mêmes aménagements.

## Différencier « usages » et « pratiques »

Les comportements observés peuvent se classer sous deux catégories: ceux ayant été prévus par les fabricants (usages) et ceux n'ayant pas été anticipés (pratiques). Certaines

pratiques sont récurrentes et s'observent sur toutes les TA (nourrir les animaux sauvages, jeter des cailloux dans l'eau, arracher des plantes, etc.) tandis que d'autres semblent être davantage occasionnelles (faire des feux d'artifice, faire nager son chien, avoir des rapports sexuels, etc.) ou contextuelles (par exemple, jet de déchets liés à un événement culturel). Ce sont principalement ces pratiques qui peuvent potentiellement causer des dommages physiques aux dispositifs techniques, porter atteinte à leur réputation et en altérer le fonctionnement; engendrant ainsi une demande d'intervention des fabricants. Néanmoins, toutes les pratiques ne provoquent pas nécessairement des externalités négatives pour leurs fabricants.

Observées à des intensités différentes sur la plupart des TA, les pratiques ont été davantage recensées chez les enfants et adolescents de sexe masculin que chez les autres publics. Bien qu'il n'y ait pas de corrélations directes entre un dispositif technique précis et l'existence de ces pratiques, nous pouvons néanmoins constater que certains types de TA suscitent plus de pratiques que d'autres. Par exemple, les filtres plantés de roseaux ou encore les bassins de rétention ou d'infiltration qui amènent beaucoup de pratiques ludiques ou de nature (arracher des plantes, se baigner dans les bassins, etc.)

## Des facteurs favorisant l'apparition de pratiques pénalisantes

Les pratiques ne sont ni associées à un type de TA, ni associées de façon systématique à un type de publics ou à un type d'environnement d'implantation. Elles découlent principalement de la manière dont chaque individu envisage l'utilisation des dispositifs présents dans son environnement à travers l'atteinte d'objectifs qui lui sont propres. Par exemple: utiliser les TA comme espace de dépôt d'ordures parce que « C'est quand même plus près et plus facile que d'aller à la déchetterie, on n'a pas à faire la queue » ou utiliser les TA comme terrain de jeu parce que « Sauter les clôtures (du dispositif technique), c'est un peu le défi ! C'est pour voir si on en a ! » (photo 1).

Toutefois, les observations ont permis de mettre en exergue quelques facteurs pouvant expliquer une plus forte présence des pratiques sur certains sites.

**Photo 1** : Exemple de pratique où des individus s'introduisent dans un dispositif technique. Le but ici est de relever un défi : celui de s'introduire dans un espace clos et de récupérer un objet comme preuve validant le défi, une poignée de roseaux dans le cas présent (Sébastien Ah-leung, 2013).

<figure><img src="image_29.png" /></figure>
<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>**Figure 2** : L'observation directe comme méthodologie principale (Sébastien Ah-leung, 2014).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

<figure><img src="image_32.png" /></figure>

Observatoire photos

Zone d'observation prioritaire (Z1)

Zone d'observation secondaire (Z2)

Flux observés

Flux supposés à partir des traces

source : IGN, BD Ortho® 2011

Les TA se composent d'un nombre important d'éléments techniques. Parmi ces éléments, certains suscitent très peu de pratiques tandis que d'autres en suscitent énormément. C'est par exemple le cas des clôtures, des éléments en bois, des panneaux ou encore des fossés. La présence de ces différents éléments sur un site engendre systématiquement sur les sites qui en sont dotés, des pratiques pouvant potentiellement causer des problèmes de gestion. Outre la composition des TA, leur aspect joue aussi un rôle important: les dispositifs peu entretenus ou ayant l'air peu entretenus ont tendance à susciter plus de pratiques que les autres, notamment les jets d'ordures.

## Informer et sensibiliser le public permet de limiter ces pratiques

Outre les aspects techniques favorisant les pratiques, la manière dont le projet d'installation des TA est mené joue également un rôle. Globalement, les projets ayant intégré les publics tout au long du processus de conception des techniques alternatives font état d'un nombre de pratiques limité. En effet, les publics se sentent intégrés au projet et peuvent ainsi discuter avec les fabricants et comprendre l'intérêt que constitue l'intégration d'une TA dans leur environnement. De même, les projets de TA qui intègrent des panneaux explicatifs, des campagnes d'information et/ou des visites, engendrent généralement moins de pratiques.

## En Bref...

En intégrant l'espace public, les techniques alternatives semblent susciter auprès des publics de multiples comportements. Ces derniers peuvent être de différents types (sportifs, ludiques, professionnels, etc.) et varient en fonction des caractéristiques des publics (sexe, âge, etc.). Tous les comportements n'ont pas le même impact sur les TA. Certains d'entre eux peuvent endommager les dispositifs techniques et entraîner des dysfonctionnements. Ces comportements pénalisants peuvent dans certains cas être favorisés par des facteurs techniques (clôture autour des TA) ou organisationnels (fréquence d'entretien). Ils peuvent être limités en mettant en place une participation active du public en amont du projet et une communication efficace sur le terrain.

POUR ALLER PLUS LOIN

* AH-Leung S. Les objets de nature: Quelle(s) place(s) dans la ville ? Conditions d'appropriation des dispositifs de gestion des eaux pluviales de la métropole lyonnaise. Thèse de doctorat, INSA de Lyon, 2017, 556 p. - lc.cx/ahleung2017
# L'épineuse question de l'entretien des techniques alternatives : mythe ou réalité ?

Nina Cossais, Université de Tours CITERES/Université de Lyon EVS, Métropole de Lyon - Frédéric Cherqui, INSA Lyon/Université Lyon 1

> Les premiers ouvrages de gestion alternative des eaux pluviales ont, pour certains, plus de trente ans maintenant. Au-delà des problématiques du nettoyage et de l'entretien régulier de ces ouvrages, se pose désormais la question de leur vieillissement et de leur gestion sur le long terme.

## La nécessaire mise en œuvre d'une gestion patrimoniale des ouvrages de gestion des eaux pluviales

La question de l'entretien des ouvrages de gestion des eaux pluviales semble se poser de plus en plus ces dernières années. Du fait notamment de patrimoines déjà anciens au sein des collectivités territoriales, la question inquiète. Elle serait même, pour certains, un frein à l'adoption des techniques alternatives (TA).

Déjà-vu, diront les plus anciens. Il y a peu, la question de la conception et du dimensionnement de ces ouvrages a fait couler beaucoup d'encre. C'était également un frein majeur à leur adoption. Aujourd'hui, la conception est beaucoup mieux maîtrisée et il existe même des outils en ligne<fnref n="1" /> pour faciliter le prédimensionnement des ouvrages.

La problématique de l'entretien se pose à plus ou moins long terme. À court terme, les différents acteurs s'interrogent sur la nature, la fréquence et la répartition des tâches d'entretien. À long terme, la maintenance des aménagements nécessite de mettre en place une organisation inédite. Il est vrai que la gestion patrimoniale des aménagements de gestion des eaux pluviales ne fait que commencer pour de nombreuses collectivités. Les grands principes sont connus : recenser et connaître son patrimoine; mesurer les performances du

système; investiguer les ouvrages, évaluer leur état de santé et leurs impacts potentiels; planifier les actions et donc définir des priorités; réhabiliter les ouvrages, contrôler la qualité pendant et à l'issue des travaux; améliorer les connaissances. Nous proposons ici des éléments pour guider les collectivités dans la mise en place d'une gestion patrimoniale. L'ensemble de ces éléments sont en lien avec des travaux passés ou présents de l'OTHU. Les travaux futurs et les retours d'expérience permettront progressivement de combler les lacunes actuelles.

## Comment commencer ?

L'étape de recensement (inventaire, descriptif détaillé, éléments constitutifs...) est particulièrement importante ici. Les ouvrages de gestion des eaux pluviales ont été et sont encore très mal répertoriés par les collectivités, même si certaines ont démarré ce travail. Le recensement se traduit souvent par l'introduction des ouvrages sur une couche spécifique du Système d'Information Géographique (SIG) de la collectivité. Il permettra potentiellement de suivre l'évolution des performances des ouvrages et de mieux coordonner les interventions, tout en stockant les données d'exploitation. En effet, différents corps d'état étant susceptibles d'intervenir dans la construction des TA (génie civil, VRD, espaces verts), leur intégration dans le SIG est souvent incomplète ou insuffisamment partagée entre les services. Ceci conduit parfois à leur dégradation pour la mise en place d'équipements, comme des mâts supports de luminaires ou de câbles de tramway.

La description de chaque ouvrage implique d'inclure au minimum : des plans de l'ouvrage; la liste de ses composants; les hypothèses de dimensionnement. La figure 1 montre la diversité des composants que l'on peut rencontrer dans un aménagement.

<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>Figure 1 : Ouvrage fictif de gestion des eaux pluviales, contenant l'ensemble des composants qu'il serait possible d'observer (Kaminski et Vanlerberghe, 2017).</figcaption></figure>

<footnote n="1">¹ Comme par exemple www.parapluie-hydro.com, https://ewater.org.au/products/music ou www.pcswmm.com</footnote>
Pour chaque ouvrage, il est également nécessaire de mettre en place un carnet de suivi précisant les opérations régulières d'entretien, les services en charge de ces opérations ainsi que leur périodicité. Ce carnet précisera également les contrôles à effectuer et les actions à entreprendre ou les services à contacter en cas de dysfonctionnement observé. Le couplage de ces informations avec le SIG permettra d'envisager un meilleur suivi dans le temps.

## La répartition des tâches d'entretien

Au sein de la métropole de Lyon, la question de l'entretien et de la maintenance des ouvrages, mais aussi d'une meilleure prise en compte de ces aspects dès la conception de l'aménagement, ont fait l'objet du projet interne Ville Perméable (2015-2017). Une thèse en aménagement et urbanisme, réalisée dans ce cadre, est en cours (Cossais, 2021). Elle vise à analyser les facteurs organisationnels liés au développement des techniques alternatives et se focalise notamment sur l'entretien et la maintenance. L'observation-participante auprès des équipes d'entretien permet de mieux comprendre les enjeux auxquels les services concernés sont confrontés et leur compatibilité ou non avec la gestion des eaux pluviales.

La nature, la répartition et la fréquence des tâches d'entretien ont été observées sur le territoire de la métropole lyonnaise. Elles font l'objet de différentes configurations: il n'y a pas de règle systématique. Les tâches ont été catégorisées en fonction de leur service de rattachement historique. Par exemple C1 (nettoyage de surface, grilles et avaloirs) et C2 (ramassage des déchets) sont traditionnellement affectées aux cantonniers, au service du nettoiement. Les différentes configurations possibles concernant la répartition des tâches par type d'ouvrage sont présentées dans la tableau 1.

L'analyse de ces configurations révèle tout d'abord que certaines tâches apparaissent comme « inhabituelles » pour certains services (elles ne relèvent pas de leurs spécialités historiques): la tonte ou la fauche pour le service nettoiement, le ramassage des déchets dans les bassins clôturés par les égoutiers, le décolmatage des revêtements poreux par les services de voirie, etc. Deuxièmement, des différences importantes sont constatées dans le nombre de services impliqués, selon le type d'ouvrage considéré. Les bassins d'infiltration fermés au public, qui sont clôturés, ne font intervenir que les égoutiers. À l'opposé, les noues végétalisées peuvent concerner quatre services différents. Enfin, les entretiens informels réalisés sur le terrain montrent que les tâches inhabituelles sont très souvent sous-traitées à une entreprise, repoussées ou insuffisamment réalisées (Cossais, 2019).

<table><caption>Tableau 1 : Configurations possibles pour la répartition des tâches d'entretien des ouvrages de gestion des eaux pluviales à la Métropole de Lyon en 2016 (Cossais, 2019).</caption><thead><tr><th></th><th></th><th>Nettoiement</th><th>Assainissement</th><th>Espaces verts</th><th>Voierie</th></tr></thead><tbody><tr><td>Puits d'infiltration</td><td></td><td>C1<br>Nettoyage de surface<br>grilles et avaloirs<br>(au besoin)</td><td></td><td>–</td><td>–</td></tr><tr><td>Tranchée drainante</td><td></td><td></td><td></td><td>–</td><td>–</td></tr><tr><td rowspan="2">Noue</td><td>enherbée</td><td>C1<br>C2<br>Ramassage des déchets<br>(selon salissures et<br>attentes)<br>J1<br>Tonte/fauche (1 à 4 fois/an)</td><td>E1<br>Entretien d'ouvrages<br>hydrauliques<br>(au besoin)<br>+</td><td>–</td><td></td></tr><tr><td>paysagée</td><td>C1<br>C2</td><td>E2<br>Curage ou décolmatage<br>(au besoin)</td><td>C2 / J1<br>J2<br>Tous les végétaux<br>(env. 1 à 2 fois/an)<br>J3<br>Déserbage (au besoin)<br>J4<br>Arrosage</td><td>E2</td></tr><tr><td>Bassin enterré</td><td></td><td>C1</td><td>E1</td><td>–</td><td>–</td></tr><tr><td rowspan="2">Bassin à ciel ouvert</td><td>clôturé</td><td>–</td><td>E1 / E2 / C2 / J2<br>D1<br>Déserbage (au besoin)<br>E3<br>Autosurveillance</td><td>–</td><td>–</td></tr><tr><td>accessible<br>au public</td><td>C1<br>C2</td><td>E1 / E2 / E3</td><td>C1 / C2<br>J1 / J2 / J3 / J4</td><td>–</td></tr><tr><td>Revêtement poreux</td><td></td><td>C2 / J3<br>V2<br>Entretien revêtement</td><td>–</td><td>–</td><td>V1<br>Réparation revêtement<br>V2 / E2</td></tr></tbody></table>
## Pourquoi cela semble si compliqué ?

La principale difficulté est ici d'adapter les principes de la gestion patrimoniale à un continuum de techniques (de forme et composition très variables) plus souvent « naturel » (sol, végétation, eau) que construit (béton, acier, etc.), comme l'illustre la photo 1.

La deuxième difficulté est d'adapter la maintenance aux fonctions remplies par l'ouvrage, ces fonctions pouvant être très diverses: hydrauliques, hydrologiques, sanitaires, environnementales, sociales (voir Question 1.1: *Pourquoi et comment gérer les eaux pluviales aujourd'hui* ?). Prenons par exemple la tonte de la pelouse: si l'ouvrage est support d'activités récréatives, il sera souhaitable de procéder à une tonte fréquente; si par contre l'objectif est d'encourager la biodiversité, le minimum d'intervention sera prescrit.

Ainsi, il est nécessaire de pouvoir adapter les investigations et les niveaux de performance. Suivant la situation de chaque ouvrage (en entrée de ville, en zone industrielle, près d'une école, etc.), le niveau de performance attendu pourra être différent. Par exemple une noue en entrée de ville a un rôle vitrine et sa végétation doit être régulièrement inspectée et maintenue (à la différence d'une noue qui serait au fond d'une zone industrielle), ou bien un ouvrage près d'une zone vulnérable aux débordements (près d'une crèche par exemple) ne sera pas surveillé pareil qu'une zone peu vulnérable (telle qu'un parking).

La troisième difficulté porte sur les équipes chargées de la maintenance de ces aménagements. Ces équipes doivent être

formées spécifiquement pour comprendre le fonctionnement de ces ouvrages (et ainsi identifier les situations de dysfonctionnement). Suivant le type d'aménagement concerné, les équipes mobilisées peuvent également être différentes (tableau 1). Ainsi il devient primordial de définir les responsabilités et les actions de chacun.

## Plusieurs pistes de recherche pour améliorer la gestion des ouvrages

La maintenance des ouvrages de gestion des eaux pluviales est une problématique émergente très récente, et de nombreuses pistes de recherche sont ouvertes, directement en lien avec les difficultés soulevées précédemment. Une partie de ces recherches peut s'appuyer sur l'expérience de la gestion patrimoniale d'autres ouvrages comme les réseaux d'assainissement ou les digues.

Une première piste de travail concerne la définition précise des performances attendues par ces ouvrages et la formulation d'indicateurs permettant de mesurer ces performances. Ces travaux ont été initiés par le programme de recherche Ecopluie et la thèse de Priscilla Moura (2008). Ils se sont poursuivis au sein du programme de recherche MicroMegas. La deuxième piste porte sur la mise au point de fiches d'inspection des ouvrages afin de fournir à la personne en charge du suivi des ouvrages des éléments permettant d'apprécier le fonctionnement de l'ouvrage. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du projet MicroMegas (précédemment cité) et du projet européen Mind4Stormwater.

<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>Photo 1 : Exemple d'ouvrage de gestion des eaux pluviales : des jardins de pluie, Meyzieu (source N. Cossais).</figcaption></figure>
L'étape suivante est d'envisager des solutions de suivi systématique et automatisé des ouvrages permettant de fournir des alertes en cas de dysfonctionnement. Ce travail s'inscrit notamment dans la continuité de l'observatoire de l'OTHU et des nombreuses données acquises.

## Des retours d'expérience contrastés

L'exemple de Melbourne en Australie, où un audit des ouvrages construits a été réalisé en 2017, nous incite à conserver une certaine vigilance. L'audit, effectué dans le cadre du programme Living Rivers (rivières vivantes) et financé par Melbourne Water, portait sur 95 ouvrages: 57 jardins de pluie, 25 fosses d'arbres et 13 zones humides. L'étude a conclu que 75% des systèmes de biofiltration ou des fosses d'arbres ne fonctionnaient pas correctement. Pire, 25% de ces ouvrages dysfonctionnent et sont susceptibles d'avoir un impact négatif sur la gestion de l'eau. La première cause de dysfonctionnement concerne l'arrivée d'eau, d'abord pour des problèmes de conception, ensuite pour des défauts d'entretien, et enfin à cause de problèmes de construction. Cependant, si cet exemple nous incite à la prudence, les cas australiens et français ne peuvent pas être comparés facilement. Premièrement, l'assainissement australien repose très largement sur un système séparatif. Les objectifs des ouvrages de gestion alternative des eaux pluviales y sont donc prioritairement qualitatifs, avec des ouvrages relativement fragiles. Deuxièmement, l'organisation des collectivités y est très différente.

Pour le cas du territoire lyonnais, il convient de noter que malgré le faible entretien (ou l'absence d'entretien) de nombreux ouvrages pendant plusieurs décennies, les premières observations, réalisées notamment dans le cadre du projet Ville Perméable, laissent penser que ces ouvrages sont assez résilients. De plus, la majorité des opérations d'entretien sont assez simples et ne nécessitent par une expertise avancée. Elles peuvent donc globalement être réalisées par les services habituellement chargés de la gestion de l'espace public, sous réserve d'une coordination satisfaisante.

Dans le cas de l'aménagement du site de la Porte des Alpes à Saint-Priest<fnref n="2" />, des suivis systématiques ont été pensés dès la création des ouvrages. Des bilans globaux sur trois lacs qui servent de bassins en eau de rétention des eaux pluviales,

portant notamment sur la biodiversité qu'ils accueillent, ont été établis dans cet esprit tous les cinq ans. Ces suivis portent sur les espèces végétales, piscicoles et sur la qualité physico-chimique de l'eau et des sédiments. Leur réalisation est de la responsabilité de la métropole de Lyon et les résultats sont partagés entre les équipes de conception et d'exploitation mais également avec les associations partenaires. Ces suivis permettent de faire évoluer en permanence les pratiques de gestion du site pour maintenir la diversité biologique et l'équilibre de ce nouvel écosystème et pour préserver le fonctionnement hydraulique des ouvrages. Le développement écologique des lacs est qualifié de remarquable par l'ensemble des associations de sauvegarde de la faune et de la flore (Sibeud et Mazereel, 2007).

## En Bref...

* La préoccupation de la gestion sur le long terme des techniques alternatives est croissante. Elle s'explique à la fois par le vieillissement des ouvrages et par la complexité de leur gestion, liée à la diversité des ouvrages, de leurs statuts et des acteurs concernés. Cette thématique est en plein essor et il existe désormais des outils et stratégies à mettre en œuvre pour une gestion patrimoniale efficace de ces ouvrages. Plusieurs villes se lancent actuellement dans cette démarche.

## POUR ALLER PLUS LOIN

* **Cossais N.,** (2019) *Les rôles différenciés de l'organisation des collectivités dans la fabrique de la ville perméable.* La généralisation du contrôle à la source des eaux pluviales à la métropole de Lyon. Thèse de doctorat en Aménagement de l'espace et Urbanisme, Université François-Rabelais de Tours, 616 p.

* **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 : recommandations pour la faisabilité, la conception et la gestion des ouvrages d'infiltration des eaux pluviales en milieu urbain.* Guide édité dans le cadre du projet ECOPLUIES - ANR PRECODD - lc.cx/ecopluies

* **Chocat B., Insa de Lyon et le groupe de travail « Eaux pluviales et aménagement » du Graie** (2014 actualisé en 2020). *Les objets de nature : Quelle(s) place(s) dans la ville ? Conditions d'appropriation des dispositifs de gestion des eaux pluviales de la métropole lyonnaise.* Note sur les techniques alternatives, Graie, 58 p. - lc.cx/graietechniquesalternatives

<footnote n="2">² Voir lc.cx/portedesalpes, fiche produite par l'Observatoire des opérations exemplaires pour la gestion des eaux pluviales du Graie : www.graie.org/portail/animationregionale/techniques-alternatives</footnote>
# Métrologie 2

L'OTHU est un observatoire. Observer nécessite des dispositifs métrologiques spécifiques pour mesurer les grandeurs auxquelles s'intéresse l'observateur, avec des exigences définies quant à la qualité et la disponibilité des données. En hydrologie urbaine, les échelles spatiales d'observation vont de quelques dizaines de m² pour les techniques de gestion à la source des eaux pluviales à quelques km² pour les bassins versants urbains séparatifs ou unitaires. Les échelles de temps vont de la minute pour mesurer l'intensité des précipitations au pluriannuel pour évaluer avec fiabilité l'éfficacité des ouvrages de gestion et de traitement des rejets urbains de temps de pluie (RUTP).

Les travaux de l'OTHU ont permis de progresser en métrologie sur de nombreux aspects, dont certains sont présentés dans ce chapitre. Il s'agit en premier lieu d'adapter les dispositifs métrologiques aux échelles de temps et d'espace pertinentes pour chaque site de mesure, ainsi qu'aux gammes des grandeurs à mesurer. Il s'agit ensuite de les faire évoluer régulièrement grâce aux connaissances et à l'expérience acquises, tant en réseau et sur les déversoirs d'orage que pour les techniques de gestion à la source. Les observations ayant montré l'extrême variabilité des rejets urbains de temps de pluie, il faut envisager les mesurages sur des longues durées pour obtenir des résultats représentatifs. Le mesurage en continu par des capteurs apporte une meilleure compréhension de la dynamique des phénomènes que les analyses sur échantillons qui restent néanmoins encore indispensables pour de nombreux polluants. Les grandeurs physico-chimiques ne donnant qu'une vision partielle des impacts des RUTP sur les milieux aquatiques, le monitoring biologique in situ est un complément indispensable. Enfin, adopter des pratiques métrologiques rigoureuses est nécessaire pour assurer la qualité et la disponibilité des données, de l'étalonnage des capteurs jusqu'à l'estimation des incertitudes.
# Pourquoi, quoi et comment mesurer pour mieux comprendre le fonctionnement d'un bassin versant ?

Flora Branger, INRAE Lyon - Bernard Chocat, INSA Lyon

Les bassins versants urbains et périurbains sont des systèmes particulièrement complexes où se mêlent des composantes naturelles (cours d'eau, nappe, végétation) et artificielles (réseaux d'assainissement, ouvrages) du cycle de l'eau. Connaître, comprendre et modéliser les flux d'eau et de polluants nécessite donc de construire un réseau d'observations hydrologiques adaptée dans le temps et dans l'espace ainsi que dans le choix des variables mesurées.

## Le bassin versant, une notion fondamentale en hydrologie

### Des phénomènes hydrologiques extrêmement complexes

Les phénomènes hydrologiques observables, par exemple les flux d'eau et de polluants observés en un point particulier suite à un événement pluvieux, constituent la résultante d'un très grand nombre de phénomènes élémentaires qui se déroulent simultanément et/ou séquentiellement et qui interagissent les uns avec les autres. Une pluie est constituée d'une multitude de gouttes et, en théorie, il devrait être possible de suivre individuellement chacune des molécules d'eau qui les composent de façon à comprendre comment elles interagissent entre elles et avec les autres composantes du milieu pour produire ces flux.

Les forces en jeu, du moins en hydrologie quantitative, c'est à dire pour les flux d'eau, sont relativement peu nombreuses: ce sont principalement celles dues à la gravité, aux interactions entre l'eau et l'atmosphère (condensation et évapotranspiration), et aux interactions entre l'eau et l'air dans les sols. Les hydrologues sont cependant confrontés à une difficulté irréductible: la complexité extrême du milieu physique où ces forces s'appliquent. En pratique, la surface et les couches de plus en plus profondes du sol ne peuvent en effet pas être décrites avec une précision suffisante pour pouvoir explicitier la genèse des flux comme une résultante de l'ensemble des forces élémentaires appliquées à des molécules d'eau.

### Le bassin versant est l'échelle d'étude pertinente pour comprendre et modéliser

Il est donc nécessaire de raisonner à une échelle d'espace plus grande, conventionnellement celle d'un bassin versant élémentaire, généralement défini comme une portion de territoire de quelques hectares à quelques kilomètres carrés, possédant un ou plusieurs exutoire(s) vers le(s)quel(s)

converge(nt) les flux étudiés. À cette échelle on peut alors appliquer une modélisation holistique (c'est à dire une modélisation globale) des phénomènes, sans nécessairement tenter de relier explicitement cette modélisation aux lois élémentaires qui régissent les écoulements à l'échelle microscopique. Ce n'est que lorsque les flux commencent à se concentrer dans un milieu suffisamment homogène pour être décrit simplement (une rivière, une conduite, une nappe...) que l'on peut utiliser efficacement un modèle dit à base physique. Le bassin versant est donc l'échelle à laquelle on souhaite connaître, comprendre et modéliser les flux d'eau et de polluants.

## Pourquoi observer les bassins versants en milieu urbain et périurbain ?

Les bassins versants peuvent avoir des surfaces très variables. En milieu urbain et périurbain, on s'intéresse en général à des bassins de quelques dizaines de mètres carrés à plusieurs dizaines de kilomètres carrés. Souvent, selon les besoins de la recherche ou de l'étude, ils sont imbriqués les uns dans les autres. Le bassin versant le plus grand peut ainsi être décomposé en sous bassins versants, qui peuvent eux-mêmes être décomposés en sous-sous-bassins versants, etc. Dans tous les cas, il s'agit de systèmes complexes dans lesquels l'ensemble des composantes du cycle de l'eau sont en interaction, qu'elles soient naturelles (nappe, cours d'eau, végétation) ou artificielles (réseaux d'assainissement, ouvrages de gestion des eaux pluviales). La diversité de l'occupation des sols, allant de l'urbain dense aux zones agricoles et forestières dans le cas des bassins versants périurbains, ajoute encore de la complexité. C'est au niveau du bassin versant que l'on étudie les impacts sur le milieu, cours d'eau ou nappe, aussi bien d'un point de vue quantitatif (inondations, assèchement de cours d'eau, baisse de la nappe, érosion, incision, etc.) que qualitatif (concentrations et flux de polluants, qualité écologique du milieu). C'est aussi l'échelle à laquelle la gestion des eaux pluviales est réalisée, que les ouvrages de gestion soient centralisés ou qu'ils soient disséminés à travers le bassin.

### Bien observer pour bien modéliser

La notion de bassin versant est toujours liée, de façon plus ou moins explicite, à celle de modélisation, que ce soit pour mieux comprendre les phénomènes et/ou pour mieux gérer le fonctionnement d'un ouvrage. La modélisation permet en particulier de quantifier les flux des différents compartiments hydrologiques du bassin (pluie, évapotranspiration, infiltration vers la nappe, ruissellement, écoulement dans le cours d'eau, etc.), utiles pour le dimensionnement d'ouvrages et/ou pour la réalisation d'études prospectives (changement climatique, évolution de l'occupation du sol, etc.). Ces modèles requièrent obligatoirement d'être construits, calés et vérifiés avec des données d'observation. C'est pourquoi il est important de
bien construire les réseaux d'observation hydrologiques à une échelle spatiale compatible avec celle à laquelle on souhaite construire les modèles de représentation des bassins versants. Les recherches de l'OTHU ont principalement porté sur la connaissance des flux d'eau produits par les bassins périurbains et sur les flux d'eau et de polluants produits par des bassins versants plus urbanisés.

## Quelles variables mesurer ?

Si l'on s'intéresse uniquement aux flux d'eau, la démarche à adopter consiste à considérer le bilan hydrologique d'un bassin versant: entrées et sorties d'eau (figure 1). Les entrées principales sont la pluie et parfois les eaux usées dans le cas des réseaux unitaires. Les sorties principales sont l'évapotranspiration (qui regroupe l'évaporation de l'eau sur les surfaces et la transpiration des végétaux), et le débit à l'exutoire ou aux exutoires naturel(s) et artificiel(s) du bassin: cours d'eau, nappes souterraines et réseaux d'assainissement.

La pluie et les débits sont des variables que l'on peut mesurer à l'aide d'appareils d'usage courant (pluviomètres, capteurs de hauteur d'eau, débitmètres). Le mesurage de l'évapotranspiration est plus délicat et nécessite une instrumentation coûteuse qui n'est pas à la portée de collectivités ou de laboratoires non spécialistes. Cependant il est possible d'obtenir des chroniques d'évapotranspiration, issues de modèles spécialisés et disponibles sur l'ensemble du territoire français, auprès de Météo-France.

Le mesurage d'autres variables hydrologiques est utile pour avoir une idée plus précise de la répartition des flux à l'intérieur du bassin versant. On peut par exemple mesurer l'humidité du sol, à l'aide de sondes dédiées, et/ou la profondeur de la nappe, au moyen de sondes piézométriques. À la différence des variables précédentes, il ne s'agit pas de variables de bilan, mais de variables ponctuelles, la valeur mesurée à un endroit donné n'étant pas représentative de l'ensemble du bassin versant. Plusieurs points de mesure peuvent donc s'avérer nécessaires.

Le mesurage des flux de polluants est beaucoup plus difficile. Différentes grandeurs physiques (en particulier conductivité, pH, turbidité et température de l'eau) peuvent être mesurées

assez facilement en continu à l'exutoire du bassin versant. Certaines autres grandeurs (MES, voire la DCO et l'azote) peuvent dans certains cas en être déduites. Cependant, dans la plupart des cas, il est nécessaire d'effectuer des prélèvements d'échantillons d'eau et de les analyser pour déterminer la concentration des polluants que l'on souhaite suivre. Ces prélèvements, ainsi que leur conservation et leur analyse, doivent être effectués dans des conditions rigoureuses si l'on veut être capable d'estimer les flux avec une incertitude acceptable.

À ces mesurages des flux sortant du bassin versant il est également nécessaire d'associer d'autres mesurages ponctuels:

* pour identifier l'origine des flux: composition de l'eau de pluie, contribution des retombées sèches ou des différents types de surfaces urbaines;

* ou pour connaître l'efficacité des ouvrages de gestion: analyse des sédiments décantés ou de la qualité des eaux sous les ouvrages d'infiltration par exemple.

## Comment mesurer ?

### Dans le temps

Si l'on veut suivre le fonctionnement d'un bassin versant sur la durée et notamment réaliser des bilans, il est important de réaliser un suivi en continu, c'est-à-dire même par temps sec. Il convient donc de s'assurer de la possibilité et de la qualité des mesures même lorsqu'il ne pleut pas. Que ce soit en cours d'eau ou en réseau, cela conduit à l'installation de dispositifs métrologiques permettant de mesurer de manière fiable les débits de temps sec, même lorsqu'ils sont faibles (photo 1). Un autre aspect important est le pas de temps d'acquisition de la donnée, qui doit être adapté à la taille et à la réactivité du bassin versant. Les bassins urbains ont en général des temps de réaction très courts, il faut donc être capable de descendre à la minute pour mesurer la pluie et les débits.

### Dans l'espace

La stratégie de déploiement des mesurages dans l'espace doit avant tout tenir compte de la taille du bassin versant. Au-delà de quelques kilomètres carrés, il faut en général plusieurs

<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>**Figure 1** : Schéma synthétique des principaux fermes du bilan hydrologique sur un bassin versant urbain ou périurbain.
(Source : F. Branger, INRAE)</figcaption></figure>
**Photo 1** : Station hydrométrique du Ratier à Saint-Genis les Ollières sur le site OTHU du bassin versant de l'Yzeron. La station est équipée d'un seuil béton et d'un déversoir triangulaire pour une bonne qualité de mesure des bas débits (source : Mickaël Lagouy, INRAE, 2011).

<figure><img src="image_36.png" /></figure>

pluviomètres de façon à tenir compte de la variabilité spatiale de la pluie, surtout pour les événements convectifs de type orages d'été qui peuvent être très localisés. De ce point de vue, les radars météorologiques apportent une information spatialement distribuée très intéressante, en complément des pluviomètres au sol. Au niveau des débits, l'idée est aussi d'estimer la répartition des flux à l'intérieur du bassin versant, en déployant des mesures au niveau de différents sous-bassins. Ces sous-bassins peuvent être aussi choisis pour échantillonner différentes occupations du sol d'intérêt (rural/urbain, ou zone résidentielle/zone industrielle). Il faut également inclure les réseaux d'assainissement souterrains et

instrumenter les principaux exutoires ou points de séparation des réseaux lorsque cela est possible.

## L'instrumentation des bassins versants suivis par l'OTHU

### Bassin périurbain de l'Yzeron: une meilleure connaissance des flux d'eau

20 ans d'observation par l'OTHU ont permis de mettre au point une stratégie de mesure adaptée sur le bassin versant

**Figure 2** : Instrumentation en 2020 pour le suivi des flux d'eau sur le site OTHU du bassin versant de l'Yzeron. Les décalages dans les contours des sous-bassins sont dus à la modification des zones drainées par le réseau d'assainissement.

<figure><img src="image_37.png" /></figure>
périurbain de l'Yzeron (150 km²). Plusieurs petits bassins versants, aux occupations du sol contrastées, ont été instrumentés, comme les sous-bassins du Mercier (forêt et cultures) et de la Chaudanne (cultures et périurbain). Puis les autres stations ont été positionnées de façon à instrumenter les principaux affluents de l'Yzeron (Ratier, Charbonnières) et à emboîter les bassins versants les uns dans les autres (figure 2). Six pluviomètres de recherche, complétés par quatre pluviomètres de la métropole de Lyon, fournissent une vision spatialisée de la pluie sur le bassin. Ces données sont utilisées pour alimenter et évaluer des modèles hydrologiques distribués, représentant la variabilité spatiale des occupations du sol, des sols et des réseaux.

## Bassins urbains: une meilleure connaissance des flux de polluants

Dans le cas des bassins versants urbains, les travaux de l'OTHU ont principalement apporté une bien meilleure connaissance des flux de polluants produits par temps de pluie: concentrations, flux événementiels ou annuels, origines, devenirs dans le réseau et dans les ouvrages. Au-delà des indicateurs classiques (MES, DCO, DBO, hydrocarbures, azote, etc.), des avancées très importantes ont été faites sur de nombreux micropolluants (métaux, HAPs, pesticides, etc.). Les approches mises en œuvre ont permis d'obtenir des valeurs moyennes et d'évaluer les incertitudes.

## En Bref...

Il est important de disposer d'un réseau de mesure fiable pour étudier le fonctionnement des bassins versants. Le mesurage de la pluie et des débits en continu à des pas de temps adaptés est indispensable. Le mesurage en continu de grandeurs physiques, comme la turbidité, permet de réduire les incertitudes sur les flux de nombreux polluants. Il faut également prendre en compte la dimension spatiale, notamment en installant si nécessaire plusieurs pluviomètres et en déployant une stratégie de sous-bassins emboîtés pour le mesurage des débits et des flux polluants.

**Point de vocabulaire:**

**Mesurage:** Ensemble d'opérations ayant pour but de déterminer une valeur d'une grandeur.

**Mesurande:** Grandeur particulière soumise à un mesurage.

## POUR ALLER PLUS LOIN

* **Perrault P.** (1674). *De l'origine des fontaines* – Pierre Le Petit, Imprimeur, Paris, 1674, 59 p. (Référence historique : le premier bilan hydrologique connu sur le bassin de la Seine) - lc.cx/perrault1674

* **Braud I., Breil P., Thollet F., Lagouy M., Branger F., Jacqueminet C., Kermadi S. & Michel K.** (2013). *Evidence of the impact of urbanization on the hydrological regime of a medium-sized periurban catchment in France*. Journal of Hydrology, 485, 5-23, doi:10.1016/j.jhydrol.2012.04.049 - lc.cx/braud2013
# Pourquoi le suivi métrologique de long terme de la qualité des rejets urbains par temps de pluie est-il nécessaire ?

Jean-Luc Bertrand-Krajewski, INSA Lyon

En milieu urbanisé, les rejets des réseaux séparatifs d'eau pluviale et des déversoirs des réseaux unitaires sont une source de contamination importante des eaux de surface. De nombreux exploitants de réseau d'assainissement et gestionnaires de milieux naturels réalisent des campagnes de mesures afin de quantifier et qualifier ces rejets polluants. Mais, contrairement aux pratiques bien ancrées, le mesurage de quelques événements pluvieux pris au hasard ne suffit pas pour caractériser de manière fiable et représentative les flux polluants, et peut même aboutir à des conclusions biaisées.

## Les faits

### Les concentrations et flux de polluants par temps de pluie sont très variables et imprévisibles

La qualité des rejets urbains de temps de pluie, c'est-à-dire les concentrations et flux de polluants qu'ils transportent, est caractérisée par sa très grande variabilité, à la fois d'un événement pluvieux à un autre, et au sein même des événements pluvieux. Ils se différencient ainsi des eaux usées domestiques qui, dans la plupart des cas, présentent une régularité marquée des débits et des concentrations à l'échelle journalière.

En effet, d'un événement pluvieux à l'autre, les propriétés de la pluie (durée, intensité, période sèche précédente,

historique des événements antérieurs) varient de façon aléatoire. Le transport des polluants par les gouttes de pluie et le lavage de l'atmosphère lié à la chute des gouttes sont des facteurs également très variables. De même, l'accumulation et la disponibilité des polluants sur les surfaces du bassin versant et dans les collecteurs et ouvrages des réseaux d'assainissement au moment où la pluie survient présentent une forte variabilité. Il en résulte nécessairement que les concentrations moyennes événementielles en polluants et les flux correspondants sont, dans une large mesure, imprévisibles d'une pluie à l'autre et très fluctuants.

La figure 1 illustre les concentrations moyennes événementielles (CME) mesurées sur deux bassins versants de l'OTHU pour deux polluants différents (MES et DCO). Sur le bassin versant unitaire d'Ecully, les CME en MES mesurées sur 239 événements pluvieux varient de 13 à 1 433 mg/L, avec une moyenne pondérée par les volumes écoulés de 168 mg/L. Sur le bassin versant séparatif de Chassieu, les CME en DCO mesurées sur 263 événements varient de 54 à 966 mg O₂/L, avec une moyenne pondérée par les volumes écoulés de 118 mg O₂/L. Dans les deux cas, la distribution des valeurs des CME est très étendue et suit une distribution très approximative-ment log-normale. Cette forte variabilité des CME est égale-ment observée pour les masses événementielles de polluants (Métadier et Bertrand-Krajewski, 2012).

### Il n'existe aucune relation entre les caractéristiques d'une pluie et les concentrations moyennes de polluants

Par ailleurs, il n'existe aucune relation entre les caractéristiques des événements pluvieux (par exemple la hauteur précipitée ou le volume ruisselé) et les valeurs des CME. Dans le cas

<figure><img src="image_38.png" /><figcaption>Figure 1 : Distribution des concentrations moyennes événementielles. À gauche, CME en MES pour 239 événements pluvieux à Ecully (réseau unitaire) ; à droite CME en DCO pour 263 événements à Chassieu (réseau séparatif).</figcaption></figure>
du bassin versant séparatif de Chassieu (figure 2, gauche),
des volumes ruisselés d'environ 1000 m³ présentent des
CME allant de moins de 20 à plus de 1400 mg/L selon les
événements pluvieux. Réciproquement, une CME d'environ
150 mg/L a été observée dans des volumes ruisselés
evénementiels de quelques milliers de m³ à plus de 40000 m³.
Nul doute que le suivi d'événements plus nombreux sur ce site
aurait conduit à des plages de valeurs plus étendues encore.

La relation entre volume ruisselé et masse événementielle est
moins dispersée (figure 2, droite) : une masse événementielle
de 1400 à 1500 kg peut toutefois être transportée dans des
volumes variant de 1000 à 30000 m³. Réciproquement, des
volumes ruisselés d'environ 29000 m³ peuvent transporter
des masses événementielles de MES de 1500 à 4200 kg.
Cette moindre dispersion et cette tendance globale à observer

des masses plus élevées lorsque les volumes ruisselés
augmentent sont largement dues au fait que la masse est
corrélée au volume puisqu'elle est égale à la somme des
concentrations instantanées multipliées par les volumes
instantanés... Volumes et concentrations sont des variables
indépendantes, mais pas les volumes et les masses.

Des analyses des données de l'OTHU et d'autres sites
expérimentaux montrent également qu'il n'y a pas de lien par
exemple entre la période de retour des événements pluvieux
et celle des CME ou des masses événementielles.

Les concentrations de polluants varient
significativement durant un événement pluvieux

Au cours des événements pluvieux eux-mêmes, les concen-
trations en polluants évoluent de manière extrêmement

<figure><img src="image_39.png" /><figcaption>**Figure 2** : Concentrations moyennes événementielles (à gauche) et masses événementielles (à droite) de MES en fonction du volume ruisselé (m³) pour 263 événements à Chassieu.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_40.png" /><figcaption>**Figure 3** : Évolutions de l'intensité de la pluie, du débit, de la turbidité et des flux massiques en MES et DCO au cours de l'événement pluvieux du 17 mai 2008 à Chassieu. À gauche, de haut en bas : intensité de la pluie, débit à l'exutoire et turbidité ; à droite, de bas en haut : flux massique de DCO, flux massique de MES et masse événementielle de MES et DCO. Les bandes bleues représentent les intervalles de couverture à 95 % des incertitudes sur les valeurs mesurées et calculées des débits, des concentrations, des flux et des masses.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_41.png" /></figure>

<figure><img src="image_42.png" /></figure>
importante, à des échelles de temps de quelques minutes, souvent avec un ou plusieurs pics, et des ordres de grandeur très variables. La figure 3 en donne un exemple pour l'événement du 17 mai 2008 à Chassieu. La turbidité, mesurée au pas de temps de 2 minutes, est proportionnelle à la concentration en MES (en première approximation) et varie de quelques NTU (Nephelometric Turbidity Unit) à 300 NTU au cours de l'événement. La variabilité des débits et des concentrations au cours des événements pluvieux peut être représentée de manière synthétique par les courbes masses-volumes (courbes MV). Les courbes MV permettent de quantifier le phénomène de premier flot : elles montrent que ce phénomène n'est pas le cas le plus fréquent, et de loin (voir Question 5.2 : Est-il judicieux de baser une stratégie de traitement des RUTP sur le principe du premier flot ?).

## Les conséquences pratiques en métrologie

### Un très grand nombre de mesurages est nécessaire

Lorsque qu'un processus ou une grandeur est très variable et aléatoire, il faut procéder à un grand nombre de mesurages pour estimer correctement sa plage de variation et un ordre de grandeur fiable de sa valeur moyenne.

Reprenons l'exemple de Chassieu et des concentrations moyennes événementielles en DCO. La CME moyenne pondérée par les volumes est de 118 mg O₂/L, à partir des valeurs mesurées sur 263 événements. On suppose pour la suite que cette valeur est bien connue (alors qu'elle pourrait évoluer si on mesurait davantage d'événements). Quelle serait la valeur de la CME moyenne si on mesurait moins de 263 événements ? Par exemple, si on mesurait seulement 5 événements, choisis au hasard parmi les 263 disponibles ? Si on simule dix millions de tirages différents de 5 événements parmi les 263, la CME moyenne calculée varie de 66 à 652 mg O₂/L selon le tirage. Pour des tirages de 50 événements parmi les 263, la CME moyenne calculée varie de 87 à 186 mg O₂/L.

Ces résultats sont généralisés sur la figure 4 qui montre la plage dans laquelle varie l'estimation de la CME moyenne en fonction du nombre *n* d'événements pluvieux mesurés. Si par exemple on veut connaître la CME moyenne à plus ou moins 20 % près (c'est-à-dire entre 94 et 142 mg O₂/L), la figure 4 indique qu'il faudrait mesurer entre 80 et 125 événements sur 263. En effet, la distribution n'est pas symétrique : pour un nombre *n* d'événements pluvieux mesurés donné, la probabilité de surestimer la CME moyenne est plus élevée que de la sous-estimer.

Mesurer les flux polluants sur un petit nombre d'événements pluvieux, par exemple 3 à 5, n'apportera pas une information fiable et exploitable, compte tenu de l'énorme variabilité des rejets de temps de pluie (en volume, en concentration et en masse rejetée). C'est donc assurément prendre le risque de croire (puisque qu'on n'aura pas d'autre information, on remplacera une information incomplète par une croyance) que tous les événements pluvieux seront comme ces trois à cinq-là qui auront été obtenus par hasard, et dont on n'aura aucune garantie de représentativité.

### Privilégier le nombre d'événements mesurés, plutôt qu'une faible incertitude de mesure

D'autres analyses montrent qu'il est largement préférable de mesurer un grand nombre d'événements pluvieux avec des incertitudes métrologiques un peu élevées que de mesurer quelques événements seulement avec des incertitudes métrologiques très faibles. Considérons le cas d'un ouvrage de retenue-décantation des eaux pluviales situé à l'aval d'un bassin versant séparatif, dont on cherche à évaluer la performance d'interception annuelle (voir les détails dans Bertrand-Krajewski et al., 2002). Si le volume écoulé pendant l'événement pluvieux est inférieur au volume de l'ouvrage, le volume écoulé est intégralement intercepté par l'ouvrage et soumis à décantation. Si le volume écoulé est supérieur au volume de l'ouvrage, l'excédent est déversé directement au milieu aquatique. On considère qu'il y a N = 80 événements pluvieux par an susceptibles de générer un ruissellement significatif. Parmi ces 80 événements, on admet qu'on

<figure><img src="image_43.png" /><figcaption>Fig. 4 : Plage de variation de la CME moyenne en DCO estimée en fonction du nombre *n* d'événements mesurés parmi 263 disponibles, pour le bassin versant séparatif de Chassieu. En bleu : les courbes enveloppes minimum et maximum ; en gris : la moyenne.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_44.png" /><figcaption>**Figure 5** : Incertitude relative totale sur l'efficacité d'interception annuelle d'un ouvrage de retenue-décantation des eaux pluviales en fonction du nombre n d'événements pluvieux mesurées parmi N = 80 événements en moyenne par an.</figcaption></figure>

en mesure un nombre $n \le N$. On s'intéresse à l'efficacité d'interception, c'est-à-dire au rapport entre la masse de polluants entrant dans l'ouvrage et la masse de polluants rejetée à l'aval du bassin versant, à l'échelle annuelle pour les 80 événements pluvieux. En combinant l'analyse de données expérimentales sur différents bassins versants réels et des simulations numériques, et en tenant compte d'une part des incertitudes métrologiques (mesurage des débits, des concentrations, nombre de prélèvements effectués et couverture des événements échantillonnés) et d'autre part des incertitudes de représentativité des événements échantillonnés, on peut estimer l'incertitude avec laquelle on connaît l'efficacité d'interception annuelle de l'ouvrage en fonction du nombre n d'événements échantillonnés. Les résultats sont présentés sur la figure 5. Si on ne mesure que 5 événements par an, le rendement annuel d'interception de l'ouvrage sera connu avec une incertitude de 115%. Et si on ne mesure que 3 événements, l'incertitude atteint 180%... Autant dire qu'on ne sait vraiment pas quelle est l'efficacité de l'ouvrage dans de telles conditions. Si on veut connaître son efficacité annuelle à 30% près par exemple, il faudrait mesurer 30 événements par an sur 80.

Cet exemple montre comment on peut tirer des conclusions totalement incertaines lorsqu'on ne mesure que quelques événements pluvieux. La source majeure d'incertitude est en effet liée au nombre *n* d'événements pluvieux mesurés, d'autant plus grande que *n* est petit. Les incertitudes de mesure sur les débits et les concentrations sont moins critiques. Ce problème de sous-représentativité de la diversité des événements pluvieux et de leurs flux polluants existe également pour estimer les flux rejetés ou les impacts sur le milieu aquatique.

En Bref...

Il ne faut pas compter sur le hasard pour obtenir des données fiables et représentatives des flux d'eau et de polluants des rejets urbains par temps de pluie, compte tenu de leur très grande variabilité. Or c'est ce qui se passe lorsque les campagnes de mesure ne comportent que quelques événements pluvieux, dont on tire ensuite des conclusions qui peuvent s'avérer infondées ou biaisées. La précaution de langage indiquant qu'on « choisira quelques événements pluvieux représentatifs » n'y change rien. Il faut donc envisager des campagnes portant sur quelques dizaines d'événements pour bien caractériser un site, ce qui nécessite une planification des moyens techniques et financiers sur le moyen terme. Que ce soit au moyen de prélèvements d'échantillons classiques ou, mieux, de mesurages en continu par capteurs fournissant une information plus riche, l'enjeu majeur est celui du nombre d'événements pluvieux mesurés.

POUR ALLER PLUS LOIN

► Bertrand-Krajewski J.-L., Barraud S., Bardin J.-P. (2002). *Uncertainties, performance indicators and decision aid applied to stormwater facilities* - Urban Water, 4(2), 163-179. doi:10.1016/S1462-0758(02)00016-X - lc.cx/bertrand2002

► Métadier M., Bertrand-Krajewski J.-L. (2012). *The use of long-term on-line turbidity measurements for the calculation of urban stormwater pollutant concentrations, loads, pollutographs and intra-event fluxes*. Water Research, 46(20), 6836-6856 - doi:10.1016/j.watres.2011.12.030 - lc.cx/metadier2012
# Comment les stations de mesure de l'OTHU ont-elles fait progresser les pratiques métrologiques ?

Nicolas Walcker, INSA Lyon - Laëtitia Bacot, GRAIE - Jean-Luc Bertrand-Krajewski, INSA Lyon

Réduire les rejets urbains de temps de pluie (RUTP) et leurs impacts environnementaux et sanitaires nécessite de bien les connaître. Cette connaissance, aussi bien quantitative (pluies, débits, volumes) que qualitative (concentrations et flux de polluants) est obtenue par des dispositifs métrologiques adaptés permettant de conduire des campagnes de mesure dans la durée. Fort de ses 20 années d'expérience dans la mise en œuvre et la gestion de stations de mesure de terrain, l'OTHU partage quelques enseignements et préconisations pour une instrumentation performante et un suivi réussi des RUTP.

## La démarche de suivi des RUTP

### La définition d'objectifs est un préalable indispensable

Avant tout projet d'instrumentation, il est important de fixer des objectifs clairs en termes de données et de connaissances à acquérir, et de périmètre sur lequel on veut les obtenir.

Une connaissance préalable du site retenu et des conditions hydrauliques au point de mesure est également indispensable (identification des entrées/sorties, mises en charge, déborde-ments, influence aval, ensablement, etc.). Les retours d'expé-riences des différents acteurs (professionnels et usagers) et les études déjà réalisées sur le territoire (schéma directeur, modélisation, campagnes antérieures, etc.) sont des moyens efficaces pour répondre à ce besoin préalable.

### Les suivis quantitatif et qualitatif sont complémentaires

La seconde étape consiste à positionner les points de mesure aux endroits appropriés du bassin versant en fonction des ob-jectifs fixés (voir Question 2.1 : *Pourquoi, quoi et comment mesurer pour mieux comprendre le fonctionnement d'un bassin versant* ?). Pour cela, il est généralement nécessaire de débuter l'instrumentation par le suivi quantitatif des ef-fluents. L'estimation des débits est souvent réalisée à l'aide de capteurs de niveau d'eau et/ou de vitesse d'écoulement (d'autres techniques de mesure sont possibles). Les données produites permettent de connaître le fonctionnement du sys-tème en fournissant de précieuses informations sur les dé-bits et volumes. Couplées à des mesurages de la pluie, elles permettent de comprendre la réponse par temps de pluie du bassin versant à l'amont du point de mesure.

Le suivi qualitatif des effluents est un moyen complémen-taire de compréhension du système et permet d'estimer les flux polluants transportés par les RUTP et leurs impacts sur les milieux aquatiques. De nombreuses grandeurs physi-co-chimiques peuvent être mesurées en continu dans les RUTP: température, conductivité électrique, pH, turbidité/ MES, oxygène dissous... Le choix des grandeurs mesurées est fait en fonction des objectifs fixés, des obligations règle-mentaires et des ressources financières mobilisables. L'utilisa-tion de préleveurs automatiques est nécessaire pour collecter des échantillons nécessitant une analyse en laboratoire des polluants (métaux, micropolluants, etc.) dont les concentra-tions ne peuvent pas être estimées au moyen de capteurs en continu.

## Retour sur 20 ans d'expérience des stations de mesure de l'OTHU

### La nécessité de considérer l'ensemble de la chaîne de mesure

Au cours des 20 dernières années, la variété des sites, des intervenants et des sujets de recherche a apporté à l'OTHU une expérience significative dans l'instrumentation des sites et le mesurage des RUTP, expérience qui permet aujourd'hui de produire de nombreux résultats fondés sur de longues séries de données.

Pour tout projet d'instrumentation, il est indispensable de mener une réflexion préliminaire complète sur la globalité de la chaîne de mesure : du choix du capteur au traitement des données, en passant par la gestion du parc métrologique. Négliger cette démarche conduit fréquemment à une perte de temps et d'argent et à la collecte de données médiocres ou inexploitables. Naturellement cette réflexion requiert du personnel compétent et qualifié en métrologie.

### Le choix des capteurs et de leur implantation

Pour le suivi quantitatif, ces années d'expérience ont montré l'efficacité des capteurs sans contact avec les effluents (types ultrasons ou radars). Ces solutions éprouvées et robustes offrent l'avantage d'une maintenance réduite, d'un contrôle simplifié ainsi que d'une durée de vie adaptée. Le coût des capteurs de niveau, réduit par le développement des technologies et la concurrence entre fabricants, encourage l'utilisation de ces solutions. Ce constat ne s'applique pas aux capteurs de vitesse sans contact dont le coût encore dissuasif conduit à utiliser des capteurs immergés ou des relations hauteur-débit. L'utilisation de capteurs de vitesse n'est pas systématiquement nécessaire, mais dépend des conditions hydrauliques observées sur chaque point de mesure.
<figure><img src="image_45.png" /><figcaption>Figure 1 : Station de mesure OTHU.</figcaption></figure>

Une démarche d'amélioration continue

Après plusieurs années d'exploitation quotidienne des stations de mesure, de nombreuses améliorations, tant matérielles que méthodologiques, ont été apportées par les équipes de l'OTHU:

► **Canal de dérivation:** un canal moulé sur mesure de section ovoïde et muni de buses assurant son nettoyage automatique à l'eau potable permet de réduire la décantation de sédiments dans le système afin d'optimiser la représentativité de l'échantillon mesuré.

► **Des capots pour les capteurs (figure 2):** des capots transparents équipés d'un système de fixation rapide des capteurs permettent de s'assurer de la bonne mise en place du matériel. Ces capots améliorent la reproductibilité des

mesurages en réduisant les différences de pratique des différents intervenants sur les stations. Ils comportent des contacts magnétiques afin d'identifier automatiquement les ouvertures et fermetures des capots lors des opérations de maintenance des capteurs.

► **Ordinateur et cartes d'acquisition :** l'utilisation d'un ordinateur avec des cartes d'acquisition accroît considérablement les possibilités par rapport aux centrales d'acquisition classiques (capacité de stockage accrue, stockage local et cloud, prétraitement des données en temps réel, taille et format des données, logiciels, webcam, ajout de matériels, etc.).

► **IHM et réseau internet :** la mise en place d'une IHM (Interface Homme-Machine) sur un ordinateur connecté
<figure><img src="image_46.png" /><figcaption>Figure 2 : Capots pour capteurs et contacts magnétiques.</figcaption></figure>

à internet facilite considérablement la prise en main de la station. Cette dernière devient ainsi pilotable en tout lieu et à toute heure (pompe, buses de nettoyage, vidange du canal, éclairage, déclenchement de préleveurs, etc.).

► Prétraitement des données en temps réel: l'utilisation d'un logiciel de programmation pour la collecte des données et le pilotage de la station offre de nombreuses possibilités. Les données aberrantes et/ou non représentatives (ex: capteur en maintenance, nettoyage du bac, défaut de pompage, etc.) peuvent être détectées et supprimées avant d'effectuer des moyennes sur les données restantes. On peut ainsi calculer une moyenne toutes les deux minutes à partir des données non aberrantes échantillonnées à haute fréquence, par exemple à la seconde, afin d'atténuer les erreurs aléatoires.

► Asservissement des préleveurs: le calcul du débit (par hauteur/vitesse, loi hauteur/débit ou divers modèles) étant instantanément réalisé au sein du programme pilotant la station, il devient possible de déclencher les préleveurs et d'effectuer des prélèvements en fonction des conditions hydrauliques observées en temps réel (prélèvements proportionnels au temps, au volume ou au débit).

## Du personnel qualifié et une critique permanente des données collectées

Malgré l'efficacité de l'ensemble de ces outils et des innovations apportées, les années d'expérience de l'OTHU confirment la nécessité d'un suivi régulier et rigoureux des stations de mesure par du personnel qualifié. Du choix du matériel à son exploitation, en passant par son installation et sa maintenance, les compétences des utilisateurs restent indispensables afin d'assurer une instrumentation pérenne et pertinente.

Enfin, les conditions particulières et difficiles en hydrologie urbaine nécessitent une évaluation critique permanente des données collectées. Des méthodes et outils ont été développés dans l'OTHU pour faciliter cette gestion des données, notamment les données d'étalonnage des capteurs, l'évaluation des incertitudes et la validation des données qui ont été intégrées dans le logiciel Evohé (voir Question 2.8: *Comment produire des données de qualité et exploitables durablement?*).

## Vers une ville connectée à sa déconnexion des eaux pluviales

L'émergence du concept de « Smart City » engendre depuis quelques années de nouvelles approches et de nouveaux outils. Le développement de l'IoT (Internet of Things) ainsi que l'apparition de nouvelles technologies (capteurs low cost) apportent des solutions toujours plus connectées et autonomes (de l'autonomie énergétique des capteurs à l'hébergement des données en passant par leur collecte).

À l'avenir, la disponibilité de ces technologies et la réduction de leurs coûts d'achat devraient encourager l'instrumentation de nombreux ouvrages afin de répondre toujours mieux aux besoins d'une approche globale de l'assainissement fondée sur des données mesurées fiables et représentatives.
<figure><img src="image_47.png" /></figure>

► Walcker N., Bertrand-Krajewski J.-L., Vacherie S., Lepot M., Castebrunet H., Barraud S., Lipeme Kouyi G. (2018). *Une nouvelle station de mesure pour l'acquisition de séries chronologiques en hydrologie urbaine*. TSM, 3, 55-64.
doi 10.1051/tsm/201803055 – lc.cx/walcker2018

► Bertrand-Krajewski J.-L. (2013). *Auto-surveillance des réseaux d'assainissement: fiabiliser la métrologie, les données et leur exploitation*. L'eau, l'industrie, les nuisances, 362, 84-89 – lc.cx/bertrand2013
# Mesurage en continu et échantillonnage : pourquoi faut-il aller au-delà de la réglementation ?

Jean-Luc Bertrand-Krajewski, INSA Lyon

Le mesurage en continu des flux polluants par capteurs in situ est à ce jour encore peu pratiqué par les collectivités, bureaux d'études et gestionnaires privés. Pourtant, se limiter à l'analyse de quelques échantillons collectés pour quelques événements pluvieux pris au hasard ne peut donner qu'une version partielle et biaisée des flux polluants des rejets urbains par temps de pluie...

## Le cinéphile et l'hydrologue : trois histoires courtes et parallèles

### PREMIÈRE HISTOIRE

Dominique, un cinéphile en herbe en visite chez son oncle (ou son grand-père, son cousin, un voisin, je ne me souviens plus), souhaite découvrir les films policiers. Son oncle (ou son grand-père, etc.) lui suggère d'aller au cinéma du quartier : « Il y a toujours une des salles qui en projette à un moment ou un autre, tu vas bien tomber sur quelque chose d'intéressant ». Et

Dominique, une jeune hydrologue urbaine employée par la ville (ou un bureau d'études, un gestionnaire privé, un organisme public, je ne me souviens plus), souhaite connaître les flux polluants des rejets urbains de temps de pluie. Son directeur lui suggère de mettre en place une campagne de mesure sur un bassin versant proche : « Il pleut toujours à un

<figure><img src="image_48.png" /><figcaption>Photo 1 : Image du film *Le Troisième homme*, de Carol Reed (1948), tourné dans les égouts de Vienne en Autriche.</figcaption></figure>
il ajoute: « Prends l'enveloppe sur le meuble près de la porte, il
doit rester quelques euros pour te payer une séance ».

Sur le trajet, Dominique constate que l'enveloppe ne contient plus que quelques pièces de menue monnaie. Au cinéma, le caissier, un peu bizarre, lui propose, en échange de ses quelques pièces, une expérience originale: regarder le film avec un masque spécial. Ce masque spécial lui permettra de voir jusqu'à 24 fois une séquence de quelques secondes au centre de l'écran. Il peut le régler de deux manières: soit il voit une séquence toutes les 5 minutes, soit il voit une séquence chaque fois qu'on entend le thème musical du film dans la bande son. Dominique accepte de tenter l'expérience. Comme il ne connaît pas la bande originale du film qu'il va voir, il choisit l'option d'une courte séquence toutes les 5 minutes et entre dans la salle.

Quand il en ressort deux heures et demie plus tard, il est très
perplexe. Le film était plus long que prévu, il ne sait rien de la
dernière demi-heure ni de la manière dont se termine l'histoire.
De plus, la séquence 8 n'a pas fonctionné et la séquence 12
était floue. Il a bien vu celui qu'il considère comme l'assassin,
il a cru voir au moins une victime, mais il n'est absolument
pas sûr d'avoir compris le mobile du crime. Des personnages
secondaires apparaissaient ou disparaissaient d'une séquence
à l'autre sans qu'il sache leurs rôles dans l'affaire. Il a entendu
la musique, depuis le générique et tout au long du film, ce
qui lui a permis de reconnaître des ambiances différentes, des
moments de tension et des moments plus calmes. Mais ça ne
l'aide pas vraiment à démêler les fils du scénario. Finalement,
bien qu'il ait vu des séquences du film comme prévu, il n'a
pas compris grand-chose à l'histoire. Il se demande si tous les
films policiers ressemblent à celui-ci (en tout cas à ce qu'il en
a vaguement compris) et rentre chez lui très déçu.

Quelque temps plus tard, il entend dire qu'il a eu de la chance,
car beaucoup d'autres cinéphiles débutants n'ont souvent
vu qu'un tout petit nombre de séquences au cours de la
projection. Quelle frustration !

moment ou un autre, vous allez bien trouver un événement
pluvieux représentatif». Et il ajoute: «Il y a un reliquat de
budget disponible dans votre service, pour mesurer au moins
un événement pluvieux».

En préparant sa campagne de mesure, Dominique constate
que le reliquat est plutôt maigre. Sur site, un exploitant, un
peu bizarre, lui dit qu'avec ce montant elle peut faire une ex-
périence originale: collecter des échantillons avec un préle-
veur. Ce préleveur lui permettra de collecter jusqu'à 24 échan-
tillons instantanés à l'exutoire du bassin versant. Elle peut le
régler de deux manières: soit elle prend un échantillon toutes
les 5 minutes, soit elle prend un échantillon chaque fois que
200 m³ se sont écoulés. Dominique accepte de tenter l'expé-
rience. Comme elle ne connaît pas les débits qui vont s'écou-
ler, elle choisit l'option d'un échantillon toutes les 5 minutes
et lance sa campagne.

Quand l'événement pluvieux se termine au bout de deux heures
et demie, elle est très perplexe. La durée de l'événement était
plus longue que prévu, elle n'a aucun échantillon pendant la
dernière demi-heure et ne pourra pas calculer la masse totale
de polluant rejetée. De plus, la pompe n'a pas fonctionné pour
l'échantillon 8 et l'échantillon 12 n'a même pas la moitié du
volume nécessaire aux analyses. Elle a bien vu qu'il y avait
des rejets polluants, probablement au moins une surverse de
déversoir d'orage, mais elle n'est absolument pas sûr d'avoir
compris comment ces flux ont été générés. Des polluants sont
présents dans certains échantillons et pas dans d'autres sans
qu'on sache si c'est lié à des remises en suspension sporadiques.
Elle dispose des données hydrologiques, le hyétogramme qui
génère le ruissellement et l'enregistrement complet du débit à
l'exutoire, ce qui lui a permis d'identifier des phases différentes
dans l'événement, avec des pics et des interruptions. Mais ça
ne l'aide pas vraiment à estimer les concentrations au cours du
temps. Finalement, bien qu'elle ait obtenu des échantillons de
l'événement comme prévu, elle n'a pas compris grand-chose
aux processus en jeu. Elle se demande si tous les événements
pluvieux ressemblent à celui-ci (en tout cas à ce qu'elle en a
vaguement compris) et rentre au bureau très déçue.

Quelque temps plus tard, elle entend dire qu'elle a eu de la
chance, car beaucoup d'autres hydrologues débutants n'ob-
tiennent souvent que quelques échantillons par événement.
Quelle frustration !

DEUXIÈME HISTOIRE

Malgré cette première expérience décevante, Dominique a
décidé de persévérer. Mais plus question de masque spécial, il
veut voir son prochain film policier en continu ! Ayant obtenu de
son oncle, non sans mal, l'argent nécessaire pour une nouvelle
séance dans un cinéma plus chic, il repart enthousiaste.

Et là, c'est la révélation ! Le son et l'image en continu, à 24
images/seconde, du début à la fin. Enfin il peut tout suivre,
tout comprendre, être sûr du coupable, des victimes (il y en
avait deux dans ce film), il a une idée claire du mobile. Il lui
reste bien quelques hypothèses non vérifiées échafaudées
durant la projection, mais elles ne portent que sur des aspects
mineurs de l'histoire.

Dominique veut maintenant voir d'autres films policiers du
même réalisateur, il sait qu'il en a fait des dizaines. Les revues
spécialisées en parlent en effet comme d'un cinéaste prolifique
à l'imagination foisonnante, capable de tout réinventer et de
surprendre le spectateur à chaque film, même en partant de
quelques éléments apparemment assez similaires. Il a hâte de
voir toute sa filmographie.

Malgré cette première expérience décevante, Dominique a décidé
de persévérer. Mais plus question de préleveur, elle veut mesurer
les flux polluants du prochain événement pluvieux en continu !
Ayant obtenu de son directeur, non sans mal, le budget nécessaire
pour étaloner et installer des capteurs de qualité des eaux sur un
nouveau bassin versant, elle repart enthousiaste. Et là, c'est la révé-
lation ! Les débits et les flux polluants, en continu au pas de la mi-
nute, sur toute la durée de l'événement. Enfin elle peut tout suivre,
tout analyser, quantifier correctement les rejets polluants, les sur-
verses (il y en a eu deux durant cet événement), elle se fait une idée
assez précise des processus en jeu. Elle a estimé ses incertitudes de
mesure: un peu élevées parfois, elles ne remettent toutefois pas en
cause ses conclusions. Dominique veut maintenant mesurer les flux
polluants d'autres événements pluvieux sur son bassin versant, elle
sait que les pluies ne manquent pas. La bibliographie spécialisée
indique en effet que les flux polluants rejetés varient énormément
d'un événement à un autre, de manière très difficilement prévi-
sible, bien que les processus élémentaires en jeu soient toujours
les mêmes. Elle est motivée pour augmenter sa base de données.
# TROISIÈME HISTOIRE

Quelque temps plus tard, Dominique se dit qu'il y a sûrement plein d'autres réalisateurs de talent qu'il ne connaît pas encore. Son cinéma de quartier ne lui suffit plus, il veut en voir plus. Il rêve qu'il se rend au tout nouveau festival international du film policier, dans des salles avec écrans sur 360 degrés, films en 3D, sièges dynamiques, diffusion d'odeurs en lien avec l'histoire. Et là, surprise! Il assiste à la projection en avant- première mondiale d'une version entièrement restaurée et

Quelque temps plus tard, Dominique se dit qu'il y a des polluants qu'elle n'a pas encore mesurés. Son bassin versant urbain résidentiel ne lui suffit plus, elle veut aussi mesurer les rejets sur d'autres sites.

Elle rêve d'une nouvelle base de données internationale sur les rejets urbains de temps de pluie, sur des centaines de bassins versants aux caractéristiques variées, avec des données en continu pour tous les polluants émergents qui l'intéressent, en phases dis-

**Figure 1** : Suivi d'un événement pluvieux par prélèvement d'échantillons : pluie et débit re-calculés au pas de temps de 1 minute, concentrations en MES (points bleus) déterminées sur 15 échantillons collectés proportionnellement au volume écoulé (prélèvements au pas de 50 m³) par un préleveur automatique, Entzheim (Bas-Rhin), événement du 3 mai 1987 (source : adapté de Bertrand-Krajewski, 1992).

<figure><img src="image_49.png" /></figure>
numérisée en haute définition, en couleurs, sur écran 360 degrés, et en langue originale, d'un film qu'il avait déjà vu il y a longtemps en noir en blanc sur un écran 4/3 étriqué. Il voit enfin l'intégralité de l'action, les scènes coupées, les dialogues manquants, toute l'intrigue s'explique et s'enchaîne parfaitement. La version en langue originale révèle des explications que la version française mal traduite avait rendues confuses. Quelle imagination dans le scénario, plein de rebondissements et d'actions périphériques, alors qu'il se souvenait d'une histoire terriblement simplifiée que son cerveau avait élaborée autrefois avec les éléments limités qu'il avait alors à sa disposition.

Et une nouvelle idée jaillit dans son esprit: après tous les films des nombreux réalisateurs qu'il a vus dans des centaines de salles, il se sent prêt à écrire le scénario ultime et parfait de tous les films policiers existants et à venir, celui qui les représenterait tous dans leur infinie diversité.

soute et particulaire, et même gazeuse, pour boucler entièrement les bilans de masse. Elle s' imagine mesurer à nouveau d'anciens événements dans ces conditions: finis les échantillons en nombre insuffisant péniblement collectés au seul exutoire du bassin versant, remplacés par des dizaines de capteurs performants et low-cost spatialement distribués à travers les sous-bassins versants et les ouvrages, fournissant des données en continu transmises et validées en temps réel. Elle comprend enfin l'ensemble des processus en jeu et leurs interactions, le rôle des surverses sur les bilans de masse jusqu'à présent demeurés incomplets, les contributions de chaque sous-bassin versant et des remises en suspension dans les ouvrages. L'ensemble des contributions devient quantifiable et interprétable. L'étalonnage systématique des capteurs rend les données fiables. Elle parvient à appréhender toute la complexité des phénomènes, et même leurs aspects aléatoires, tandis qu'elle se souvient des hypothèses et interprétations simplistes et invérifiables qu'elle avait échafaudées autrefois à partir des rares échantillons collectés.

Et une nouvelle idée jaillit dans son esprit: avec toutes les données et connaissances accumulées dans sa base de données, elle se sent prête à créer le modèle numérique ultime et parfait de tous les réjets urbains de temps de pluie de tous les événements pluvieux passés et à venir, celui qui les représenterait tous dans leur infinie diversité.

## Retour à la réalité

La figure 1 montre un exemple de suivi des concentrations en MES mesurées sur des échantillons prélevés à l'exutoire d'un bassin versant unitaire au cours d'un événement pluvieux.

Dans ce cas particulier, on dispose de 15 échantillons sur 700 minutes, ce qui correspond à un délai moyen de 50 minutes entre deux données... Le cerveau a naturellement tendance

**Figure 2 :** Exemple de suivi d'un événement pluvieux par mesurage en continu de la pluie, du débit et des concentrations au pas de temps de 2 minutes, Chassieu (Rhône), événement du 29 mai 2008.

<figure><img src="image_50.png" /></figure>
à interpoler linéairement entre deux valeurs successives de concentration pour reconstituer la continuité absente des données, et à prendre cette interpolation pour la réalité. Cet exemple n'est pas le plus mauvais, il existe en effet de nombreux cas où le nombre d'échantillons collectés est largement inférieur à 15. Ce type d'information a longtemps constitué la source principale de connaissance sur les flux polluants des rejets urbains de temps de pluie.

À titre de comparaison, la figure 2 montre un exemple de suivi des concentrations en MES et DCO estimées à partir de la turbidité mesurée en continu à l'exutoire du bassin versant séparatif de Chassieu. On dispose dans cet exemple d'une information toutes les 2 minutes, qui représente la dynamique réelle (et non pas imaginée) des processus, avec une estimation systématique des incertitudes. On peut ensuite calculer des bilans de masse ou des flux rejetés de manière beaucoup plus fiable (voir Question 2.2 : *Pourquoi le suivi métrologique de long terme de la qualité des RUTP est-il nécessaire ?*). Le mesurage en continu permet de s'affranchir des limites temporelles arbitraires du découpage en événements pluvieux séparés et des limites technologiques

liées aux capacités extrêmement limitées des préleveurs. Des séries chronologiques de données de longue durée (voir figure 3) permettent ainsi d'accéder à des informations et des connaissances nouvelles, de tester des modèles, de mieux gérer les ouvrages, etc.

Pour les bassins versants unitaires, le mesurage en continu permet, à partir d'une base de données sur les flux de temps sec, d'estimer, pour chaque événement pluvieux, la contribution des eaux usées au volume total écoulé et au flux polluant rejeté (voir Métadier et Bertrand-Krajewski, 2011). Il permet également de mieux gérer les ouvrages et de répondre pour partie à l'obligation réglementaire d'autosurveillance. Ainsi que l'ont montré Lombard *et al*. (2010), il est possible d'estimer les concentrations en MES, en DCO totale et dissoute, et en sulfures dissous en entrée d'une station d'épuration urbaine en combinant des données de turbidité, de spectrométrie UV-visible et de conductivité mesurées en continu. Enfin, le mesurage en continu permet d'établir des bilans journaliers avec des incertitudes plus faibles qu'avec les échantillons classiques. De nombreuses perspectives s'ouvrent donc avec sa généralisation (Eggimann *et al.*, 2017).

<figure><img src="image_51.png" /><figcaption>Figure 3 : Extrait d'une série chronologique pluie, débit et turbidité, Écully (Rhône), 28 mai-2 juin 2007.</figcaption></figure>
En Bref...

Le mesurage en continu des flux polluants par capteurs in situ apporte une information bien plus riche et pertinente que celle obtenue par les prélèvements classiques, chaque fois que les concentrations en polluants peuvent être estimées au moyen de capteurs (pH, conductivité, turbidité, spectrométrie UV-visible, sondes spécifiques, etc.). Les protocoles et les bonnes pratiques à mettre en œuvre (étalonnages réguliers, vérifications périodiques, validation de données, estimation des incertitudes) sont connus et disponibles depuis plusieurs années maintenant. La pratique du mesurage en continu pourrait et devrait donc se développer bien davantage, si le poids des habitudes et le maintien d'exigences réglementaires dépassées ou dissuasives fondées quasi exclusivement sur les analyses normalisées sur échantillons ne constituaient pas des freins puissants.

POUR ALLER PLUS LOIN

► **Lombard V., Toloméo S., Bertrand-Krajewski J.-L., Debray R., Comte C., de Bénédittis J.** (2010). *Conception et mise en place de stations de mesure des flux polluants dédiées à la gestion intégrée d'un système d'assainissement*. Actes de Novatech 2010, Lyon, France, 27 juin-1er juillet, 10 p. - Disponible sur http://documents.irevues.inist.fr/handle/2042/35668 visité le 2 septembre 2020).

► **Métadier M. & Bertrand-Krajewski J.-L.** (2011). *Assessing dry weather flow contribution in TSS and COD storm event loads in combined sewer systems*. Water Science and Technology, 63(12), 2983-2991. doi:10.2166/wst.2011.185. - lc.cx/metadier2011

► Et pour concilier cinéphilie et hydrologie urbaine, le film *Le Troisième homme*, de Carol Reed, Grand Prix du Festival de Cannes 1949, scénario de Graham Green, musique originale d'Anton Karas, avec une intrigue policière, des espions, des crimes, des victimes, une enquête, des fausses pistes, et plusieurs scènes avec Orson Welles dans les égouts de Vienne en Autriche.
Complément indispensable : Timmermann B. & Baker F. (2002). *Der dritte Man* [le troisième homme]. Wien (Austria) : Czernin Verlag, 288 p.
ISBN 978-3-7076-0143-9. (en allemand) – lc.cx/troisiemehomme
# Mesurer les performances des techniques alternatives à la source est-ce si facile ?

Sylvie Barraud et Hélène Castebrunet, INSA Lyon

La diminution du ruissellement et de la contamination des eaux pluviales est régulièrement mise en avant pour promouvoir les techniques alternatives à la source. En effet, la gestion des flux polluants y est favorisée par la limitation des volumes d'eaux qui ruissellent, réduisant du même coup les quantités de rejets polluants associés, ainsi que par le piégeage d'une partie des polluants dans les ouvrages. Mais seule une instrumentation fiable et ambitieuse peut permettre de connaître leur réelle efficacité hydrologique et épuratoire. Or, instrumenter ces ouvrages n'est pas aisé et demande une réelle expertise.

## Les questions autour de l'efficacité des ouvrages de gestion à la source

Les solutions alternatives de gestion des eaux pluviales à la source (noues, chaussées réservoirs, toitures végétalisées, puits, biofiltres, tranchées, etc.) sont désormais largement

promues car elles sont censées diminuer les flux d'eau et réduire leur contamination par limitation du lessivage, piégeage ou filtration/décantation. En outre, elles sont souvent plurifonctionnelles et intégrées aux aménagements urbains en termes architecturaux et paysagers.

Mais sont-elles réellement efficaces des points de vue hydrologique et épuratoire ? Comment peut-on suivre ces dispositifs ?

Répondre à ces questions requiert de s'en poser plusieurs autres :

* Quelles performances cherche-t-on à mesurer connaissant la multifonctionnalité des ouvrages (lutte contre les inondations, aptitude à limiter les rejets polluants, bonne intégration à l'aménagement) ? Quels sont les indicateurs à définir et pour quels objectifs ? Quelles sont les grandeurs à suivre ?

* À quelles échelles d'espace et de temps évalue-t-on ces performances : locale ou à l'échelle du bassin versant muni de techniques alternatives ? événementielle ou annuelle ?

Est traitée ici la question de la performance locale d'un ouvrage ou d'un élément d'aménagement local vis-à-vis de la limitation des flux d'eau (débits et volumes) et des polluants à l'échelle des événements pluvieux.

<figure><img src="image_52.png" /><figcaption>Photo 1 : Noue végétalisée drainant les eaux d'un parking du campus de la Doua à Villeurbanne.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_53.png" /><figcaption>**Photo 2** : Vue des trois systèmes instrumentés (de gauche à droite : parking muni d'une noue, parking muni d'une tranchée, parking en chaussée réservoir et enrobé en béton drainant) – Ecocampus Villeurbanne.</figcaption></figure>

## L'instrumentation de ces ouvrages se heurte à plusieurs difficultés

Les solutions de gestion à la source sont basées sur des principes de rétention/stockage, d'infiltration (dans les substrats formant les ouvrages et/ou dans le sol sous-jacent) ou encore d'évapotranspiration. Lorsque l'on instrumente de tels ouvrages, les difficultés sont liées à :

* la variabilité forte des flux d'eau d'un événement à l'autre : le volume est nul en sortie pour de petites pluies et important pour des pluies de fortes hauteurs précipitées.

* la diversité des dispositifs d'entrée d'eau (par ruissellement de surface, conduite...) ou de sortie (drain, infiltration dans le sol, surverse...).

* la nécessité, lorsque l'on prélève les eaux pour quantifier leur niveau de contamination, de disposer d'une zone de référence pour la comparaison des grandeurs avec celles observées en sortie. En effet, les volumes d'entrée des dispositifs à la source étant souvent faibles (les surfaces drainées sont petites), tout prélèvement d'eau en entrée à des fins analytiques fausse les mesurages en sortie. Il faut donc trouver un artifice qui permet de s'affranchir de ce biais majeur.

* la place nécessaire pour implanter le dispositif métrologique sur des sites plurifonctionnels et de petites tailles.

## Le dispositif de suivi mis en place dans le cadre de l'OTHU

### Trois ouvrages et une zone de référence

Le campus Lyon tech La Doua à Villeurbanne est le site OTHU dédié à l'étude des techniques alternatives à la source. Dans le cadre du Plan Campus, il a été décidé de rénover les espaces publics avec une gestion alternative et intégrée des eaux pluviales. L'OTHU s'est saisi de cette opportunité pour implanter des équipements au moment des travaux, ce qui a facilité la mise en place d'une métrologie adaptée pour un suivi pérenne. L'objectif visé était de mesurer l'efficacité des systèmes alternatifs de gestion à la source en termes de limitation des rejets d'eau et de micropolluants (métaux, pesticides, retardateurs de flammes, HAP et alkylphénols).

L'étude s'appuie sur le suivi in situ de trois systèmes drainant des eaux de ruissellement de parking (photo 2). Deux sont

des parkings similaires de 290 m² et 270 m² présentant une partie en stabilisé<fnref n="1" /> et une partie en béton bitumineux, dont les eaux sont évacuées respectivement par une noue végétalisée et une tranchée de graves. Le troisième système est un parking en chaussée à structure réservoir (CSR) et revêtement drainant de 90 m². Les ouvrages ont été étanchés en fond de fouille pour les besoins expérimentaux.

Une zone de référence en chaussée traditionnelle imperméable de 90 m² contigüe à la chaussée réservoir permet une comparaison des flux d'eau et de polluants entre un système classique de parking imperméable et des systèmes alternatifs de gestion à la source.

### Le choix des indicateurs de performance et de la métrologie associée

Pour évaluer les performances épuratoires et hydrologiques des ouvrages, plusieurs indicateurs majeurs ont été choisis, et permettent de comparer la sortie de l'ouvrage et la sortie de la zone de référence. Ces indicateurs sont l'abattement des débits de pointe et des volumes, et l'abattement des concentrations et masses évènementielles de polluants. L'analyse statistique des concentrations et des masses permet une évaluation du niveau de contamination des eaux pour différentes substances et une estimation contextualisée des performances observées.

Les masses sont normées afin de prendre en compte les disparités des surfaces d'apport (masse au mètre carré actif).

Les indicateurs sont déterminés pour chaque événement pluvieux et permettent d'évaluer les performances évènementielles.

Pour calculer ces indicateurs, chaque ouvrage est équipé du dispositif métrologique suivant (figure 1, page suivante) :

* une zone en entrée ① permettant de placer des capteurs (ex. conductivité, pH, température)

* un double mesurage de débit ② : les petits débits (0 à 100 L/h) sont mesurés par un débitmétre à auget (20 g), les plus importants (75 à 3500 L/h) par un débitmétre électromagnétique. Sur la zone de recouvrement, le débit est moyenné.

* une centrale d'acquisition ③ qui recueille et archive les données en continu toutes les 2 minutes.

* un canal de prélèvement ④ prototype en inox dont la forme a été étudiée pour assurer l'homogénéisation du volume d'eau au moment du prélèvement.

<footnote n="1">¹ Les sols stabilisés sont un mélange de graviers, de sables, de fines et de liant, appliqués en une ou plusieurs couches.</footnote>
<figure><img src="image_54.png" /><figcaption>**Figure 1** : Schéma de principe du mesurage des flux d'eau et de micropolluants en sortie de systèmes de gestion à la source des eaux pluviales.
(Source : Garnier, 2020)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_55.png" /></figure>
Les sous-échantillons sont prélevés au cours de la pluie proportionnellement au volume écoulé et dirigés vers un mono flacon ⑤ en plastique téflonné. Lorsque la pluie annoncée est de faible hauteur, le prélèvement est fait directement dans un bidon téflonné. Les effluents sont ensuite partitionnés pour analyse dans des flacons en verre ambré ou en plastique selon les substances à analyser.

## Les enseignements de ce suivi: bonnes pratiques et erreurs à éviter

L'acquisition de données de bonne qualité est coûteuse en temps et en moyens humains. Elle demande tout d'abord de la réactivité. Le personnel doit être opérationnel dès que la pluie est annoncée et les échantillons doivent être envoyés rapidement aux laboratoires, pour être reçus et conditionnés dans les 24 heures, de manière à éviter les dégradations des polluants organiques étudiés. Et comme les laboratoires ne sont pas ouverts 24 heures sur 24, beaucoup de prélèvements ne peuvent être exploités: pluies des week-ends, jours fériés, arrivée tardive au laboratoire...

Les prélèvements d'échantillons nécessitent un asservissement fiable au mesurage du débit, c'est-à-dire des prélèvements effectués proportionnellement au volume des eaux sortant de l'ouvrage. Ceci permet d'obtenir un échantillon réellement représentatif des eaux étudiées à l'échelle de l'événement. Il faut également délimiter de manière rigoureuse les évènements pluvieux dans le temps. Une erreur à ne pas commettre est de commencer à prélever avant que l'eau de la pluie précédente n'ait fini de passer à travers l'ouvrage.

Des résultats fiables requièrent une analyse des incertitudes. Les travaux de l'OTHU ont montré que les incertitudes de mesure des flux polluants proviennent davantage de la phase d'échantillonnage que de la phase d'analyse en laboratoire. Il faut également sélectionner des laboratoires qui garantissent des limites de détection et de quantification compatibles avec les gammes observées dans les eaux pluviales, en phases dissoute et particulaire.

Enfin, étancher les dispositifs est nécessaire pour échantillonner l'ensemble des rejets vers le milieu naturel, bien que ce soit difficilement transposable à des ouvrages construits. Mais c'est le tribut à payer pour obtenir des résultats fiables et contrôlables.

(Frustré·es de ne pas voir les résultats obtenus ? direction la Question 8.6: Quelle est l'efficacité des ouvrages alternatifs vis-à-vis des micropolluants ?)

## Pour une collectivité, est-ce utile (et réalisable) d'instrumenter ces ouvrages pour évaluer leurs performances vis-à-vis des polluants ?

Le diagnostic permanent des systèmes, requis par l'arrêté du 21 juillet 2015, incite les collectivités locales à avoir une bonne connaissance de leurs dispositifs de gestion des eaux pluviales. La tentation d'une instrumentation régulière et fiable des techniques à la source, même si elle n'est pas imposée par la réglementation, notamment pour évaluer leurs performances en termes de gestion des polluants, est grande. Or, il est fréquent que les services des collectivités ne disposent pas des capacités matérielles et de l'expertise nécessaire à la mise en place d'un tel dispositif. Il ressort des études sur les sites OTHU qu'une instrumentation fiable des techniques alternatives à la source nécessite des ressources matérielles, humaines et techniques importantes, difficilement mobilisables à l'échelle d'une agglomération entière. L'instrumentation scientifique collaborative entre collectivités et chercheurs sur des sites ciblés, diversifiés et représentatifs, avec des protocoles communs et le partage des pratiques métrologiques et des résultats, constitue une approche adaptée pour aller progressivement vers une amélioration de la connaissance des performances des ouvrages.

## À retenir

Acteurs opérationnels de l'eau, plutôt que de vous lancer dans l'instrumentation et le suivi de techniques à la source, les données de programmes de recherche et d'études scientifiques sont à votre disposition, utilisez-les !

## 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/metadier2011

* **Bacot L., Barraud S., Honegger A., Lagarrigue C.** (2020). *Synthèse opérationnelle du programme de recherche MicroMegas I Devenir des micropolluants au sein des ouvrages de gestion des eaux pluviales à la source ou centralisés*. Septembre 2020 – 18 p. - lc.cx/guidemicromegas
# Comment mesurer le débit déversé par un déversoir d'orage ?

Gislain Lipeme Kouyi, INSA Lyon

Les déversoirs d'orage (DO) n'ont pas été initialement conçus pour simplifier le mesurage des débits. Leur fonctionnement hydraulique n'est pas maîtrisé, ce qui rend leur instrumentation difficile. En outre, la réglementation impose de mesurer et d'enregistrer en continu les débits rejetés par les principaux DO. Cette exigence réglementaire traduit l'enjeu environnemental que constituent ces déversements d'eau non traitée. Or, si l'autosurveillance de ces ouvrages doit permettre aux exploitants de mieux maîtriser les rejets polluants au milieu, elle peut aussi s'avérer complexe à mettre en œuvre.

Ils conduisent ainsi, en temps de pluie, au rejet d'eau non traitée vers les milieux aquatiques. Les rejets des déversoirs contribuent à la dégradation des milieux aquatiques. À titre d'illustration, la Métropole de Lyon a procédé à une évaluation globale de ces rejets (Grand Lyon, 2017) : sur l'année 2015, les volumes déversés ont représenté près de 7% du volume total collecté par les réseaux. La charge polluante de ces 7% d'eau non traitée est équivalente à celle véhiculée par les 93% d'eau traitée en sortie de STEP. En outre, l'arrêté du 21 juillet 2015 relatif notamment à l'autosurveillance du système de collecte, impose de mesurer en continu les débits et d'estimer la charge polluante au niveau des principaux DO situés à l'aval d'un tronçon destiné à collecter une charge brute de pollution organique par temps sec supérieure ou égale à 600 kg/j de DBO5 (demande biochimique en oxygène en 5 jours), lorsqu'ils déversent plus de dix jours par an en moyenne quinquennale. C'est pourquoi il est indispensable de quantifier et de qualifier ces rejets.

## Les rejets des DO contribuent à la dégradation des milieux aquatiques

Les déversoirs d'orage (DO) sont des ouvrages de dérivation installés dans les réseaux d'assainissement unitaires. Ils permettent de protéger les ouvrages aval, et notamment la station d'épuration (STEP), contre les surcharges hydrauliques.

## Les méthodes classiques de mesure des débits et volumes déversés

La figure 1 illustre les principales méthodes de mesure des débits et volumes déversés, dont les avantages et faiblesses respectives sont décrites dans le tableau 1.

<figure><img src="image_56.png" /><figcaption>Figure 1 : Méthodes de mesure du débit déversé (source : adaptée de A. Mate Marin, 2017).</figcaption></figure>
<table><caption>Tableau 1 : Avantages et faiblesses des méthodes de mesure des débits et volumes déversés.</caption><thead><tr><th></th><th>Avantages</th><th>Faiblesses</th></tr></thead><tbody><tr><td><strong>MÉTHODE 1</strong><br>Mesurage dans la canalisation de décharge</td><td><ul><li>Obtention directe du débit déversé</li><li>Un seul point de mesure</li></ul></td><td><ul><li>Perturbations liées à l'influence aval due à l'intrusion du milieu naturel</li><li>Capteurs la plupart du temps « au sec », pouvant entraîner leur dérive et une production de données aberrantes</li><li>Faible accessibilité et maintenance difficile</li><li>Emplacement pas toujours approprié</li></ul></td></tr><tr><td><strong>MÉTHODE 2</strong><br>Obtention par différence amont/aval</td><td><ul><li>Simplicité (différence amont/aval)</li></ul></td><td><ul><li>Doublement des points de mesure</li><li>Coût d'entretien et de maintenance</li><li>Accroissement des incertitudes sur le débit déversé</li></ul></td></tr><tr><td><strong>MÉTHODE 3</strong><br>Mesurage à l'amont du seuil et conversion hauteur/débit</td><td><ul><li>Relation hauteur/débit</li><li>Moins d'entretien</li></ul></td><td><ul><li>Sensibilité aux conditions d'écoulement à l'amont et à l'aval</li><li>Relation hauteur/débit non valide si présence de dépôt</li></ul></td></tr></tbody></table>

## Des mesurages délicats en raison d'un fonctionnement hydraulique complexe

Les déversoirs d'orage ont souvent un fonctionnement hydraulique complexe (voir Question 8.1: À quoi sert un déversoir d'orage et comment fonctionne-t-il ?). Le déversoir

d'orage d'Ecully a été instrumenté dans le cadre de l'OTHU (photo 1). Il s'agit d'un déversoir latéral à crête haute soumis à l'autosurveillance réglementaire. Le débit déversé chute de 6 m pour rejoindre la canalisation de décharge. Depuis 2002, des débitmètres ont été installés à l'amont et dans la canalisation de décharge.

Photo 1 : Géométrie du déversoir d'Écully (source : Momplot, 2014).

<figure><img src="image_57.png" /></figure>
<figure><img src="image_58.png" /><figcaption>**Figure 2** : Courbe de fonctionnement du déversoir d'Ecully : débit conservé vers l'aval en fonction du débit amont (source: Momplot, 2014).</figcaption></figure>

Entre 2002 et 2014, la méthode 1 était utilisée. Cependant, deux problèmes majeurs affectaient la qualité des données sur cette période, à savoir :

* a : l'intrusion du milieu naturel (ruisseau des Planches) dans la canalisation de décharge pour certains événements pluvieux;

* b : l'entraînement d'air dû à la chute de 6 m.

La figure 2 montre le degré de dispersion des données de débits déversés collectées en 2007-2008.

## Améliorer le mesurage du débit déversé

Suite à ce constat, une relation entre le débit amont et le débit déversé a été proposée en 2014. Cette relation a été

construite à partir des résultats issus de la modélisation 3D du déversoir d'Ecully. Cette nouvelle méthode est semblable à la méthode 3 (figure 1). En effet, elle utilise des valeurs mesurées du débit dans la canalisation amont et des débits déversés obtenus par modélisation 3D. Cette méthode est malgré tout dépendante des conditions d'écoulement à l'amont, elles-mêmes fonction de la géométrie du déversoir et des changements géométriques ou hydrologiques amont. Par ailleurs, une solution alternative a été mise au point et brevetée en 2014 (Lipeme Kouyi et al., 2014). Elle repose sur l'installation d'un canal de mesure du débit déversé au niveau de l'espace de décharge (voir le positionnement au sein du réseau d'assainissement sur la figure 3). Ce canal original est appelé DSM-flux (dispositif de surveillance et de maîtrise de flux déversés).

<figure><img src="image_59.png" /><figcaption>**Figure 3** : Illustration de l'installation d'un DSM-flux au niveau de l'espace de décharge d'un déversoir d'orage.
(Source : adaptée de A. Mate Marin, 2017).</figcaption></figure>
Le DSM-flux est une alternative aux méthodes existantes et permet de mesurer les débits et les concentrations en polluants déversés. Une loi hauteur-débit robuste, c'est à dire valide quelles que soient les conditions d'écoulement

en entrée, permet d'obtenir les débits avec une incertitude relative inférieure à 15 %. Les volumes déversés sont connus à 1 % près. La figure 4 indique le schéma de principe de ce dispositif.

<figure><img src="image_60.png" /><figcaption>Figure 4 : Schéma de principe du DSM-flux.</figcaption></figure>

## En Bref...

Il n'est pas simple de mesurer le débit déversé par un déversoir d'orage. Si le comportement hydrodynamique (notamment la forme de la surface libre) le permet et si aucun changement n'intervient au niveau des configurations d'écoulement à l'amont et/ou à l'aval, il faut privilégier une relation hauteur/débit ou débit amont/débit déversé (méthode 3). Une modélisation 3D peut améliorer l'établissement de cette relation. Il est généralement impossible de mesurer de manière fiable le débit déversé simplement dans la canalisation de décharge, sauf si la géométrie du site permet un aménagement spécifique adapté, de type DSM-flux. Quelle que soit la configuration du déversoir, il est indispensable de faire une analyse préalable du fonctionnement hydraulique du DO avant toute instrumentation !

## POUR ALLER PLUS LOIN

### ► Fiche méthodologique n° 6 :

Calcul du débit à partir de la hauteur d'eau, GRAIE – Groupe de travail Autosurveillance, 3 p. (2018) – lc.cx/FicheTechGraie-autoN6 – Ainsi que toutes les productions du groupe de travail GRAIE Autosurveillance – lc.cx/ProdGraieAutosur
# Le vivant au service de la métrologie de terrain : quels bioindicateurs pour mesurer les impacts des rejets urbains par temps de pluie sur les milieux récepteurs ?

Florian Mermillod-Blondin, Pierre Marmonier, CNRS et Université Lyon 1 - Claude Durrieu, Antoine Gosset, ENTPE

> Depuis plusieurs années, l'OTHU travaille sur le développement d'outils de mesure biologiques in situ, pour mettre le vivant au service de la métrologie de terrain et de l'évaluation de l'impact des rejets urbains de temps de pluie (RUTP) sur les milieux aquatiques.

## Les limites des approches classiques

L'évaluation de la qualité des milieux aquatiques en entrée et à l'aval des systèmes de gestion des RUTP passe classiquement par des analyses physico-chimiques permettant de mesurer les flux d'eau, les polluants associés ainsi que la performance environnementale des ouvrages. Néanmoins, ces analyses sont insuffisantes: la caractérisation de l'état écologique des systèmes passe également par l'utilisation de bioindicateurs qui permettent d'évaluer l'atteinte des écosystèmes recevant des RUTP.

Dans le cadre de l'OTHU, différents types de bioessais écotoxicologiques, normalisés ou non, ont été mis en œuvre sur des échantillons d'eaux pluviales et de rejets de déversoirs d'orage. L'objectif est de mesurer les effets des RUTP sur le vivant, au moyen d'organismes représentatifs: algues vertes unicellulaires (Chlorella vulgaris, Pseudokirchneriella subcapitata, Chlamydomonas reinhardtii) et micro-crustacés (Brachionus calyciflorus, Daphnia magna, Ceriodaphnia dubia, Heterocypris incongruens). Ces bioessais sont des tests de laboratoire ne prenant pas en compte la dynamique des systèmes étudiés. Ils sont en effet réalisés dans des conditions contrôlées sur des échantillons prélevés à un instant donné. Une approche « capteur » a donc été développée afin de mesurer *in situ* et en continu la réponse d'organismes aquatiques à des arrivées de contaminants organiques (ex. pesticides), inorganiques (ex. nitrates) et métalliques.

De plus, dans les écosystèmes souterrains (nappes impactées par l'arrivée d'eaux pluviales), les critères d'évaluation de la qualité des eaux sont habituellement limités à des variables physiques et chimiques sans considérer des outils d'évaluation biologiques. Cela est lié d'une part à l'accessibilité du milieu

<figure><img src="image_61.png" /><figcaption>**Figure 1** : Photographie d'ensemble (A) et représentation 3D du biocapteur algal microfluidique développé (B), et photographie de la puce microfluidique contenant des microalgues analysées (C). Modifié d'après Gosset *et al.* (2018).</figcaption></figure>
qui rend difficile l'échantillonnage biologique et d'autre part à
la Directive Cadre sur l'Eau qui, à l'inverse des eaux de surface,
ne prend pas en compte les indicateurs biologiques dans
l'évaluation de la qualité des eaux souterraines. Les travaux
de l'OTHU ont cherché à combler ce manque en proposant
des outils utilisant des micro-organismes et des invertébrés
pour évaluer la qualité des aquifères impactés ou non par
l'infiltration d'eaux de ruissellement pluvial.

Plusieurs outils de mesures in situ ont
été développés

Des biocapteurs algaux sensibles aux métaux et aux pesticides

Un biocapteur peut être défini comme un dispositif associant
un élément biologique avec un système de mesure permettant
d'analyser in situ la réponse de cet élément aux variations
environnementales auxquelles il est soumis. Les éléments
biologiques utilisés ici sont des algues unicellulaires. On parle
donc de biocapteurs algaux.

Le principe de fonctionnement de tels outils est basé sur l'immobilisation d'algues unicellulaires sur des supports eux-mêmes reliés à des transducteurs. Ces transducteurs permettent de rendre compte de l'état physiologique des algues en convertissant un phénomène biochimique en un signal physique facilement mesurable. Différents phénomènes biologiques peuvent être ainsi étudiés, comme l'émission de fluorescence par les chlorophylles (pigments verts des végétaux) ou bien des activités enzymatiques (les phosphatases alcalines et estérases étant les plus étudiées). Les transducteurs utilisés peuvent être :

► des fibres optiques : pour le suivi de la fluorescence émise par les chlorophylles ou la transformation de produits fluorescents liée à l'activité des enzymes;

► des éléments conductimétriques (ex. électrodes) permettant
de suivre des modifications de conductivité d'un milieu
générées par des réactions enzymatiques.

La sensibilité de ces capteurs est très dépendante de la
méthode d'immobilisation des algues au contact ou à proximité
immédiate du transducteur. Différentes méthodes ont été
testées à ce jour. Elles peuvent être :

► physiques: par piégeage direct des cellules algales sur des membranes en fibres de verre ou de quartz ou par encapsulation dans des matrices de silice.

► chimiques : par réticulation, un processus de jonction chimique de plusieurs molécules par liaison covalente à l'aide d'un agent de réticulation (ex. glutaraldéhyde) des algues avec de l'albumine, une protéine naturelle présente notamment dans le blanc d'œuf ou le sang.

Ces différentes méthodes ont permis la conception de capteurs innovants pour leur spécificité de détection. A ce jour, les capteurs conductimétriques semblent plus adaptés à la détection des métaux alors que les méthodes optiques reposant sur la fluorescence des chlorophylles apparaissent plus performantes pour la détection des phytosanitaires.

Toutefois, l'immobilisation des algues constitue dans tous les cas une barrière plus ou moins étanche aux molécules présentes dans le milieu étudié. Pour résoudre cette difficulté, nous avons développé un biocapteur optique étudiant la perturbation de la fluorescence chlorophyllienne des algues. Il est basé sur l'utilisation de puces microfluidiques (figure 1 C), dans lesquelles les algues ne sont plus immobilisées, mais en libre circulation dans des micro-capillaires d'une centaine de microns de diamètre. Ceci permet de conserver l'ensemble des échanges entre les algues et les molécules présentes dans les milieux étudiés, de la même manière qu'en laboratoire. Ces puces sont insérées dans un système optique incluant LED et photodétecteurs, reliés à un logiciel d'acquisition de données sur ordinateur portable (figure 1A).

Des substrats artificiels pour échantillonner les micro-organismes des nappes

L'originalité de cette approche est d'utiliser des substrats artificiels dans les piézomètres des sites de l'OTHU (voir Question 6.1 Quel est l'impact des bassins d'infiltration d'eaux pluviales sur les nappes phréatiques ?) afin d'échantillonner les micro-organismes présents dans la nappe en amont et en aval des ouvrages d'infiltration. Après une durée d'incubation dans la nappe, les substrats sont collectés et analysés pour estimer la biomasse et l'activité des micro-organismes développés sur les substrats (biofilms microbiens). Ces variables mesurées sur les biofilms microbiens ont pour but d'évaluer la quantité de matière organique biodisponible dans la nappe phréatique apportée par l'infiltration d'eaux pluviales. En effet, la quantité de matière organique étant un élément limitant pour les micro-organismes dans la nappe, un enrichissement de la nappe par des apports organiques provenant de la surface peut se refléter sur le développement des biofilms microbiens.

L'encagement d'invertébrés aquatiques dans les eaux souterraines

L'approche développée vise à incuber des invertébrés dans des tubes grillagés en inox et à mesurer leur état physiologique (ou état de santé) au bout d'incubations de quelques semaines. Cet état de santé est une combinaison de leur taux de mortalité et de leur niveau en réserves énergétiques (glycogène et triglycéride). Après avoir testé plusieurs espèces, deux invertébrés différents ont été utilisés: des crustacés vivant dans les eaux de surface (Gammarus pulex) ou dans les eaux de nappe (Niphargus rhenorhodanensis, figure 2).

<figure><img src="image_62.png" /><figcaption>Figure 2 : Photos des
systèmes d'encagement et
des invertébrés utilisés.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_63.png" /><figcaption>**Figure 3** : **A** : Réponse du capteur au diuron pour trois espèces de microalgues (Cv: Chlorella vulgaris; Ps: Pseudokirchneriella subcapitata; Cr: Chlamydomonas reinhardtii). EC50 : concentration en substance (ici diuron) engendrant un effet de 50% (ici augmentation de la fluorescence des algues) par rapport aux contrôles. **B** : Exemple de réponse du capteur après exposition (5 minutes) de Chlorella vulgaris à différents échantillons d'eau pluviales, rejets de déversoirs d'orage et eaux de surface contaminées. Les grandeurs mesurées sont les différences de fluorescence chlorophyllienne (positives ou négatives) des algues exposées par rapport à des algues témoins. Modifié d'après Gosset et al. (2018).</figcaption></figure>

## Les principaux résultats

### La microfluidique, une piste prometteuse pour la détection des micropolluants

Avec le développement de la station microfluidique, il a été possible de répondre à toutes les contraintes d'utilisation sur le terrain. La validation du capteur avec un pesticide seul (diuron, figure 3) a montré la sensibilité du dispositif (réponse à des faibles concentrations), après des temps d'exposition très courts (5-20 minutes). Les premiers résultats obtenus sur des rejets urbains par temps de pluie (figure 3B) sont prometteurs pour la détection de micropolluants écotoxiques, notamment ceux qui agissent directement sur le niveau de fluorescence des algues (ex. pesticides).

### Les biofilms sont de bons indicateurs de l'état trophique des nappes

Pour deux saisons (printemps et automne), les substrats artificiels ont été incubés durant deux mois dans les piézomètres amont et aval de trois bassins d'infiltration suivis par l'OTHU (IUT, Minerve et Grange Blanche). Lors de l'incubation, l'analyse physico-chimique des nutriments

présents dans les eaux souterraines a été réalisée à trois occasions dans chacun des piézomètres. Les biofilms ayant poussé sur les billes du substrat artificiel ont également fait l'objet d'analyses après deux mois d'incubation dans l'eau souterraine. Ces analyses, consistant à mesurer la croissance et les activités enzymatiques des biofilms, ont permis de nous renseigner sur la disponibilité en nutriments (principalement du carbone organique dissous et des phosphates) et sur la contamination de la nappe par les apports d'eau de surface en aval des bassins. Elles ont révélé que les biofilms étaient plus développés et plus actifs en aval des bassins en comparaison avec les zones témoin. De plus, les biomasses et activités mesurées étaient corrélées positivement avec les teneurs en carbone organique dissous et, secondairement, aux teneurs en phosphates (figure 4). Cette méthode permet donc d'obtenir une évaluation intégrée dans le temps du degré de perturbation de la nappe.

### L'état de santé des invertébrés encagés est un bon indicateur de la pollution de la nappe

Les invertébrés ont été encagés et immergés dans l'eau de nappe au fond de piézomètres situés en amont (témoin)

<figure><img src="image_64.png" /><figcaption>**Figure 4** : Relation entre qualité de l'eau de nappe (carbone organique dissous en A et phosphates en B) et biomasse des biofilms après deux mois d'incubation (protéines en A, carbohydrates en B) à deux périodes de l'année (automne en vert, printemps en blanc). D'après Mermillod-Blondin et al. (2013).</figcaption></figure>
<figure><img src="image_65.png" /><figcaption>**Figure 5** : Relation entre l'indice d'état de santé des invertébrés (combinant mortalité et niveaux des réserves énergétiques) et l'indice de qualité chimique des eaux souterraines (combinant concentrations en oxygène et en matière organique). Les corrélations pour les deux espèces sont significatives (p-value = 0,019 pour *Gammarus* et p-value = 0,0002 pour *Niphargus*) même si une forte dispersion est observée pour les valeurs de qualité d'eau intermédiaires.</figcaption></figure>

et en aval (impacté) de quatre bassins d'infiltration d'eaux pluviales. La détermination du simple taux de survie de ces invertébrés après une semaine (pour le *Gammarus* vivant dans l'eau de surface) ou au bout d'un mois (pour le *Niphargus* vivant dans les nappes) n'est pas très informative. Cette survie est globalement bonne et semble surtout contrôlée par les crises d'anoxie (privation d'oxygène). En revanche, lorsque la survie est combinée au niveau des réserves énergétiques, l'indice d'état de santé des sentinelles obtenu est plus faible en aval des bassins d'infiltration et significativement corrélé à la qualité des eaux de nappe (figure 5). Ce lien entre état de santé et qualité de l'eau de nappe est meilleur lorsqu'on utilise des organismes souterrains car ceux-ci sont plus résistants aux contraintes environnementales et peuvent donc rester plus longtemps dans le milieu.

## Plusieurs développements en cours et à venir

Concernant les biocapteurs, nous avons pour projet de faire évoluer le dispositif microfluidique vers un système « lab on chip » qui permettrait d'étudier simultanément la réponse de plusieurs paramètres sur différentes espèces algales. Ceci permettrait de multiplier les données afin de mieux cibler les contaminants à détecter.

La méthodologie basée sur l'utilisation des biofilms comme indicateurs des effets de l'infiltration des eaux pluviales sur la nappe est très prometteuse. A travers des outils moléculaires permettant de déterminer les espèces bactériennes présentes dans les biofilms, il est maintenant possible d'évaluer les changements de communautés bactériennes liées aux pratiques d'infiltration et de rechercher spécifiquement la présence d'agents pathogènes (voir Question 5.3: Quels sont les contaminants microbiologiques transportés dans les RUTP et quel est leur niveau de dangerosité pour l'Homme ?).

Pour les encagements, il est prévu de faire évoluer la méthodologie en utilisant le crustacé isopode *Asellus aquaticus* qui dispose de plusieurs avantages : facilité d'accès au matériel biologique, utilisation dans de nombreuses expériences d'écotoxicologie, approches génomiques déjà développées sur cet organisme. Avec cette espèce, il sera possible d'aller plus loin dans les effets mesurés sur les organismes via l'expression des gènes exprimés en fonction des polluants présents.

## En Bref...

Les travaux réalisés dans le cadre de l'OTHU ont permis le développement de bioindicateurs pertinents pour l'évaluation de la qualité des eaux de ruissellement pluvial et des milieux aquatiques (eaux de surface, eaux de nappe). En complément des approches chimiques traditionnelles (ponctuelles), ces outils intégrateurs apportent un éclairage nouveau sur l'état écologique de systèmes dynamiques impactés par les RUTP.

## POUR ALLER PLUS LOIN

* **Gosset A., Durrieu C., Renaud L., Deman AL., Barbe P., Bayard R., Chateaux J.-F.** (2018). *Xurography-based microfluidic algal biosensor and dedicated portable measurement station for online monitoring of urban polluted samples* – Biosensors and Bioelectronics 117: 669-677. - 10.1016/j.bios.2018.07.005 - lc.cx/gosset2018

* **Mermillod-Blondin F., Foulquier A., Maazouzi C., Navel S., Negrutiu Y., Vienney A., Simon L., Marmonier P.** (2013). *Ecological assessment of groundwater trophic status by using artificial substrates to monitor biofilm growth and activity*. Ecological Indicators 25: 230-238. - 10.1016/j.ecolind.2012.09.026 - lc.cx/mermillod2013

* **Marmonier P., Maazouzi C., Foulquier A., Navel S., Francois C., Hervant F., Mermillod-Blondin F., Vienney A., Barraud S., Togola A., Piscart C.** (2013). *The use of crustaceans as sentinel organisms to evaluate groundwater ecological quality*. Ecological Engineering 57: 118-132. - 10.1016/j.ecoleng.2013.04.009 - lc.cx/marmonier2013
# Comment produire des données de qualité et exploitables durablement ?

Flora Branger, INRAE Lyon - Nicolas Walcker, INSA Lyon - Laëtitia Bacot, Graie

La production de données de qualité, leur gestion dans le temps et leur mise à disposition représentent un véritable défi pour les chercheurs et les opérationnels de la gestion de l'eau. Répondre à ce défi nécessite d'appliquer un processus de capitalisation des données rigoureux, allant de la mise en place de la chaîne de mesures jusqu'à l'étape finale de partage.

## Des enjeux scientifiques, opérationnels et réglementaires

Les enjeux de gestion des réseaux d'assainissement et des techniques de gestion à la source des eaux pluviales, les obligations réglementaires d'auto-surveillance et la volonté accrue, au niveau recherche comme au niveau opérationnel, de mieux comprendre le fonctionnement des systèmes urbains, conduisent à l'acquisition d'une grande quantité de données de terrain. Cependant, un enjeu majeur est de s'assurer que ces données soient de qualité suffisante pour répondre aux questions posées. Un second enjeu est qu'elles soient conservées de façon adéquate pour être exploitées avec succès et durablement, dans le respect des principes FAIR: Findable Accessible Interoperable and Reusable, c'est à dire en français Trouvables, Accessibles, Interopérables et Réutilisables (Wilkinson et al., 2016). A cela s'ajoute une injonction réglementaire européenne (Directive EU 2019/1024 portant sur les données ouvertes) qui requiert que toutes les données produites par des activités publiques (recherche, services de l'État, collectivités territoriales) soient rendues

librement accessibles. Le processus de capitalisation de la donnée doit donc prendre en compte ces enjeux dès le départ.

## Le processus de capitalisation des données

La capitalisation des données est un processus progressif en plusieurs étapes qui s'applique à toute la chaîne de mesure. Il commence donc dès l'installation des capteurs et échantillonneurs sur le terrain et va jusqu'à la qualification, la bancarisation et le partage des données (figure 1).

Une fois la chaîne d'acquisition choisie et installée, ce processus se décline selon les étapes suivantes.

### ÉTAPE 1 : Maintenance des capteurs, vérifications et étalonnages

La première étape de vérification de terrain est la maintenance des capteurs et des éléments de conditionnement du signal. Elle comporte les opérations habituelles d'étalonnage périodique, de contrôle du bon fonctionnement, de nettoyage, et des opérations de vérification par réalisation de mesurages ponctuels de valeurs connues. Cela peut être par exemple un contrôle visuel de la hauteur d'eau sur une échelle limnimétrique, le recueil des eaux de pluie d'un pluviomètre pour contrôler le volume cumulé sur une période donnée, ou la réalisation de mesurages de conductivité ou pH à l'aide de solutions étalons.

Ces opérations de contrôle sont crucales pour s'assurer que la donnée acquise est fiable. Il est donc indispensable d'en conserver une trace, par exemple sous forme de fiche de vie des capteurs ou des points de mesure, au format papier ou numérique.

<figure><img src="image_66.png" /><figcaption>Figure 1 : Illustration du processus de capitalisation des données (GRAIE).</figcaption></figure>

Boucle de rétroaction sur la chaîne de mesure
## ÉTAPE 2: Validation et qualification des données

La validation des données est l'étape permettant de passer des données brutes (sorties de la chaîne d'acquisition) à des données validées, c'est-à-dire qui peuvent être exploitées pour l'analyse de données, de la modélisation, du reporting, ou bien être diffusées.

Cette étape diffère en fonction de la nature des données acquises et des protocoles opératoires mis en place dans le laboratoire ou service qui fait cette validation. Le plus souvent, elle consiste à détecter et supprimer les valeurs aberrantes, lisser les micro-variations correspondant à du bruit de mesure s'il y en a, et corriger les dérives des capteurs, à l'aide des mesurages ponctuels et de l'étalonnage des capteurs mentionnés précédemment. Les relations d'étalonnage sont exploitées pour permettre une correction pertinente des données ainsi qu'une meilleure estimation des incertitudes. Ensuite, on compare les valeurs d'un capteur avec celles d'autres capteurs situés à proximité, de façon à vérifier que les valeurs enregistrées sont cohérentes entre elles. Par exemple, on peut comparer la variation d'une hauteur d'eau observée par un capteur, avec les signaux d'autres capteurs situés en amont et/ou en aval pour vérifier qu'ils sont cohérents, et même mettre en regard les données d'un pluviomètre situé à proximité. La critique et la validation des données nécessitent une connaissance des facteurs d'influence sur les grandeurs mesurées ainsi qu'une compréhension des corrélations éventuelles entre différentes grandeurs. La validation peut être manuelle ou assistée à l'aide de logiciels spécialisés.

L'étape finale de la validation est la qualification de la donnée, c'est-à-dire l'attribution à chaque valeur mesurée d'un code indiquant sa qualité, et donc la confiance qu'on peut lui accorder. C'est un peu l'équivalent d'une note, qui peut prendre la forme d'un chiffre (1 à 3 par exemple) ou d'une lettre (v pour valide, d pour douteux, l pour lacune: exemple en figure 2 page suivante). La qualification permet de garantir aux utilisateurs que la donnée a été produite dans un cadre contrôlé (processus de validation) mettant en œuvre les bonnes pratiques métrologiques, et de communiquer sur l'expertise du producteur quant à la fiabilité de ses données.

## ÉTAPE 3: Bancarisation

La bancarisation est l'archivage des données, de façon à ce qu'elles soient utilisables de façon durable. On peut bancariser

## Estimation des incertitudes: un complément essentiel à la qualification

L'incertitude permet de fournir une valeur quantitative là où le code qualité n'est que qualitatif. D'après le Bureau International des Poids et Mesures (GUM, 2008), l'incertitude de mesure « caractérise la dispersion des valeurs attribuées à une grandeur mesurée, à partir des informations utilisées ». Elle s'exprime en général sous forme statistique (écart-type, intervalle de confiance) et prend en compte l'ensemble des facteurs qui peuvent influencer le mesurage : les propriétés du capteur utilisé (sa résolution et sa justesse, en général indiquées par le constructeur), mais aussi la méthode utilisée, l'opérateur, et les conditions environnementales (température, nature de l'écoulement, etc).

Une incertitude devrait idéalement être fournie avec chaque valeur mesurée. En pratique, c'est malheureusement rarement le cas. S'il n'est pas toujours facile de calculer de façon exhaustive l'incertitude de chaque valeur, des logiciels peuvent aider à l'estimer.

les données à différents stades de validation. Cependant deux stades sont à prioriser : les données brutes et les données validées. La bancarisation des données validées (directement exploitables) est évidente mais les erreurs potentielles (humaines ou matérielles) lors de la validation justifient également une bancarisation rigoureuse des données brutes qui servent ainsi de référence. La bancarisation concerne non seulement les valeurs mesurées elles-mêmes, mais aussi les informations associées qui sont indispensables pour l'exploitation des données : par exemple la géolocalisation du point de mesure, la variable mesurée, l'unité, le fuseau horaire, le propriétaire des données. C'est ce qu'on appelle les métadonnées. L'ensemble des informations (données et

## Qualification

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