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Pollution des eaux de ruissellement (HU)
Traduction anglaise : runoff pollution
Dernière mise à jour : 03/02/2022
Cet article s'intéresse uniquement aux eaux de ruissellement en zone urbaine. Il traite de la nature et de la concentration des polluants associés à l'eau de pluie après qu'elle a parcouru entre quelques mètres et quelques dizaines de mètres à la surface du sol, mais avant son introduction éventuelle dans un réseau d'assainissement ou son rejet dans un milieu naturel.
Il fait partie d'un ensemble d'articles décrivant l'évolution de la qualité des eaux pluviales depuis l'atmosphère jusqu'à leur restitution au milieu aquatique.
Attention : La définition retenue ici est de nature strictement phénoménologique ; elle est donc différente de celle de Roche et al (2017) qui établit une distinction entre les "eaux pluviales" qui sont prises en charge par un système d'assainissement et les "eaux de ruissellement" qui ne le sont pas. Cette distinction n'a pas de sens ici ; en effet, au fur et à mesure que l'eau ruisselle sur les surfaces urbaines, la façon dont elle se charge en polluants de nature diverse est totalement indépendante de la destination finale de ces eaux (système d'assainissement ou milieu naturel). Pour une discussion plus approfondie sur les différents sens du terme "Eau de ruissellement", voir l'article Eau de ruissellement (HU).
Pourquoi s'intéresser spécifiquement à la pollution des eaux de ruissellement ?
La pollution des eaux de ruissellement est souvent confondue avec la pollution des rejets urbains de temps de pluie (RUTP). Cette confusion est très gênante car elle conduit un certain nombre de personnes ou d'organismes à se méfier des techniques alternatives de gestion des eaux pluviales par peur de polluer le sol et les nappes.
Or, comme nous allons le voir dans les paragraphes suivants, les masses de polluants dans les eaux de ruissellement sont beaucoup plus faibles que celles dans les RUTP. C'est en effet principalement dans les réseaux d'assainissement que les eaux de pluie se contaminent et surtout se concentrent.
Origine et concentration des polluants dans les eaux de ruissellement
Les polluants que l'on rencontre dans les eaux de ruissellement proviennent de quatre gisements différents, mais qu’il n’est pas toujours simple de distinguer :
- la pollution des eaux de pluie elles-mêmes (on parle parfois de retombées humides) ;
- les dépôts atmosphériques de temps sec (on parle parfois de retombées sèches) ;
- les déchets divers dus aux activités anthropiques (sur ce point et le précédent, voir Dépôts de temps sec (HU)) ;
- l'érosion des surfaces urbaines.
Cette distinction est utile pour interpréter et généraliser plus facilement les mesures. En effet les deux premiers gisements sont relativement indépendants du lieu ; le troisième dépend de l'activité sur la zone concernée et le dernier de la nature des surfaces.
Malheureusement la distinction n'est pas toujours simple : les retombées sèches et les retombées humides sont de même nature ; certains déchets légers, déposés sur le sol à l'origine peuvent être déplacés par le vent et se mélanger aux retombées sèches ; l'érosion des surfaces urbaines se produit également pendant les périodes de temps sec produisant alors des dépôts plus ou moins mobiles. Il est donc important de ne voir dans cette classification qu'un moyen simple de décrire l'origine des polluants rencontrés et de fournir un ordre de grandeur des concentrations possibles pour différents polluants.
Pollution des eaux de pluie
Pour évaluer la contribution des eaux de pluies seules (on parle parfois d’eaux météoriques), on utilise des capteurs pluviométriques capables de stocker la totalité du volume d’eau intercepté par l’appareil et équipé d’un couvercle fermé pendant les périodes de temps sec (pour éviter de capter des dépôts atmosphériques de temps sec), qui s’ouvre automatiquement aux premières gouttes de pluie et se referme dès que la pluie cesse (voir figure 1).
Même si ce gisement peut concerner tous les polluants, y compris les Matières en suspension (MES), il est surtout à considérer pour les micropolluants. Il semble important pour certains métaux comme le cadmium ou le nickel.
Pour en savoir plus : Pollution de l'eau de pluie (HU).
Pollution des dépôts atmosphériques
Pour estimer la contribution des dépôts atmosphériques de temps sec, on utilise des appareils voisins de ceux mis en œuvre pour mesurer la pollution des eaux météoriques, mais fonctionnant de façon inversée, c’est-à-dire ouverts pendant les périodes de temps sec et se fermant automatiquement dès la première goutte d’eau. Ces deux types de capteurs sont d’ailleurs souvent installés côte à côte (voir figure 1). Il ne s'agit pas dans ce cas d'évaluer les concentrations dans l'eau mais les masses précipitées par unité de temps et unité de surface.
Comme pour le gisement précédent on s’intéresse préférentiellement aux micropolluants. Ce qui frappe dans la littérature, c’est l’extrême variabilité des résultats entre les sites, sans que l’on comprenne toujours très bien les raisons de cette variabilité. Certaines causes plus ou moins saisonnières peuvent être suspectées. A titre d'exemple, sur un des sites expérimentaux de l'OTHU, Becouze-Lareure (2010) a pu observer une saisonnalité des dépôts secs de pesticides directement liée aux périodes d'épandages agricoles. En tout état de cause il est donc encore très difficile de proposer des ordres de grandeur moyens.
Pour en savoir plus : Dépôts de temps sec (HU).
Contribution globale des retombées sèches et humides à la pollution des rejets urbains de temps de pluie
Plusieurs études ont essayé d'évaluer globalement la contribution des retombées sèches et humides à la pollution des rejets urbains de temps de pluie. Il s'agit en effet d'une part irréductible que l'on retrouve de façon assez homogène sur l'ensemble du territoire urbain (d'ailleurs tout autant sur les surfaces perméables que sur les surfaces imperméables). Cette part correspond donc au minimum de charge polluante que l'on aura à prendre en compte dans les techniques alternatives de gestion des eaux pluviales.
Le tableau 1 synthétise les résultats obtenus par Garnaud (1999), Zgheib (2009) et Becouze-Lareure (2010) sur 4 bassins versants expérimentaux des observatoires OTHU et OPUR de quelques centaines d'hectares. Deux de ces bassins versants (Le Marais à Paris et Ecully dans la région lyonnaise) sont unitaires, les deux autres sont séparatifs. Il est très difficile de comparer les résultats entre ces quatre sites car les méthodes utilisées pour réaliser les bilans sont différentes. En revanche il est possible de tirer quelques conclusions générales sur l'ordre de grandeur des retombées sèches et humides qui semble généralement représenter environ 10% de la charge globale, avec cependant de gros écarts entre les sites et les indicateurs.
Pollution des déchets divers dus aux activités anthropiques
Pendant les périodes sèches de nombreux déchets n'ayant pas une origine atmosphérique sont également déposés sur les surfaces urbaines. Ils proviennent d'une multitude de sources (chantiers, rejets plus ou moins volontaires de déchets, végétation, animaux, poubelles non étanches, nettoyage des places de marchés, etc.). Ils sont plus grossiers que les dépôts atmosphériques et souvent concentrés dans certains lieux particuliers. Une partie de ces déchets est régulièrement enlevée lors du nettoyage des rues et autres espaces publics. Selon la technique utilisée (simple collecte, balayage sec ou humide, aspiration), l'efficacité du nettoyage varie, en particulier pour les particules les plus fines sur lesquelles se fixent la plupart des polluants.
Il s'agit probablement de la part la plus difficile à évaluer car elle est extrêmement variable dans l'espace et très sensible à des actions multiples totalement aléatoires et imprévisibles (par exemple rejet localisé de déchets très pollués par incivilité). Concernant les eaux de ruissellement, elle constitue cependant la part la plus importante pour les matières organiques (déchets de nourriture, déjections canines en particulier), les goudrons et la nicotine (mégots de cigarette) et les déchets grossiers, sources de pollution visuelle.
Elle est extrêmement dépendante du site et beaucoup plus importante sur les espaces publics que sur le domaine privé.
Pollution due à l'érosion des surfaces urbaines
Cas de sols non revêtus
L'érosion des sols non revêtus pendant les périodes pluvieuses constitue la source principale en matières en suspension dans les eaux de ruissellement. Les quantités susceptibles d'être mobilisées sont très dépendantes de trois catégories de facteurs :
- la capacité d'érosion de la pluie, qui dépend principalement de la taille et de la vitesse des gouttes lorsqu'elles arrivent au sol, ce que l'on traduit plus souvent par son intensité ; de ce point de vue les pluies d'été, courtes et intenses, produisent généralement plus de MES que les pluies d'hiver ;
- la capacité d'érosion du ruissellement qui dépend du débit (donc également de l'intensité de la pluie), mais aussi de la pente, de la concentration des flux et de l'état des surfaces ;
- la présence de sols nus, en particulier zones de chantiers ou zones agricoles non ensemencées.
Aux MES peuvent être associés différents polluants selon la nature des sols érodés (goudrons, hydrocarbures, métaux, ciment, solvants, etc. dans le cas de zones de chantier, pesticides ou engrais dans le cas de zones agricoles).
Les zones végétalisées génèrent moins de matières en suspension mais sont la source de débris végétaux (pollution carbonée) éventuellement associés à des charges en produits phytosanitaires ou en engrais.
Cas des bâtiments
Même si les revêtements de façades peuvent également être une source de polluants, leur origine principale semble cependant être les toitures et les dispositifs d'évacuation de l'eau (gouttières, tuyaux de descente). Les données concernant la pollution associée au ruissellement en provenance des toitures sont nombreuses, en particulier pour savoir si l'eau de pluie provenant des toitures peut être récupérée et utilisée pour la consommation humaine. Elles sont parfois synthétisées dans des guides techniques (voir par exemple Minnesota Stormwater Manual, 2021 ; NC State University, 2009 ou Gromaire et al., 2013).
On observe une variabilité extrême des concentrations proposées dans la littérature (voir le tableau 1). Les protocoles de mesure utilisés dans les études ne permettent pas toujours de distinguer clairement la contribution de l'érosion du matériau constitutif de celle des dépôts atmosphériques de temps sec. La part de l'érosion semble cependant la plus importante comme l'ont montré différentes études comparant la production de différents types de toitures en conditions contrôlées, menées en particulier en France (voir par exemple Robert-Sainte, 2009) et aux États Unis (voir par exemple Clark et al. (2008).
Le tableau 2 fournit une fourchette de valeurs inter-évènementielles des concentration obtenues pour les indicateurs les plus souvent mesurés lors de différentes études. Il distingue des bornes dites "extrêmes" entre lesquelles on retrouve environ 95% des valeurs et des bornes dites "probables" entre lesquelles on retrouve environ les 2/3 des valeurs. Il ne faut pas attribuer à ces bornes une réelle valeur statistique car les différentes études compilées pour les construire (voir la bibliographie) ne précisent pas toujours le nombre de mesures effectuées et ne reposent pas sur le même protocole. De plus certaines des valeurs sont déjà issues de compilations de résultats obtenues par différentes études.
En tout état de cause ce tableau met en évidence le fait que la variabilité des concentrations entre les sites est trop forte pour fournir une information véritablement exploitable (sauf pour le cadmium, probablement majoritairement associé aux retombées sèches et humides). Les études citées plus haut comparant la production de différents types de toitures en conditions contrôlées ont permis de montrer que le paramètre déterminant était la nature des matériaux constituant la toiture. Le tableau 3 extrait de Gromaire et al. (2013), précise ainsi les fourchettes de concentration en fonction des éléments constitutifs
Enfin, les toitures sont également à l'origine indirecte de pollution par des biocides utilisés pour éliminer les mousses et les lichens qui se développent sur leur surface. Le produit le plus utilisé en France est le benzalkonium, qui lors des premières pluies suivant son application se retrouve dans les eaux de ruissellement, en grande partie fixé sur les particules solides en suspension. Les concentrations mesurées peuvent parfois largement dépasser les seuils de toxicité pour les organismes aquatiques (Van de Voorde, 2012). Des alternatives existent.
Cas des voiries et autres espaces aménagés
Les surfaces urbaines imperméables autres que les toitures (rues et trottoirs, parkings, places, etc.) sont souvent suspectées d’être le gisement principal d’un grand nombre de polluants, en particulier des hydrocarbures. La réalité est beaucoup plus contrastée. Les traces d’huiles que l’on trouve sur les rues et les parkings sont en fait facilement biodégradables et peu mobiles. Elles ne contribuent que très peu à la pollution des RUTP. L'érosion de ce type de surface peut cependant produire des hydrocarbures associés au goudron, des solvants et des métaux associés aux marquages au sol et des métaux (principalement du zinc) provenant en particulier des panneaux de signalisation et des barrières de sécurité lorsqu'elles sont présentes (plutôt sur routes et autoroutes qu'en zone urbaine), mais également de l'usure des pneumatiques. Comme pour les toitures il est souvent difficile de faire la part entre l'érosion des matériaux et les dépôts de temps sec. Le tableau 4 synthétise les données de Gromaire et al. (2013) et celle du Minnesota Stormwater manual (2021).
Ces valeurs sont probablement surestimées car les synthèses utilisées en bibliographie ne séparent pas clairement les données correspondant à des eaux récupérées après quelques mètres de ruissellement et celles ayant transité sur de longues distances, en utilisant souvent des caniveaux et même éventuellement un réseau souterrain.
A titre de comparaison, le tableau 5, extrait de Chocat et al (2013) montre que les concentrations mesurées pendant deux ans à l'exutoire d'un parking de 100 m2 pour une vingtaine d'événements pluvieux sont beaucoup plus faibles que les valeurs moyennes du tableau 4.
Cette dernière étude présente par ailleurs l’intérêt de mettre en évidence que, même si les valeurs de concentrations mesurées pendant deux ans sont généralement très faibles, un accident est toujours possible. Dans ce cas, l'événement du 12/05/2012 a été très fortement pollué par une découpe de matériaux de construction effectuée directement sur le parking dans les jours précédents la pluie.
Dans tous les cas les concentrations mesurées tiennent compte à la fois des dépôts de temps sec et de l'érosion des matériaux.
Éléments de bilan sur les quantités de polluants à gérer
Ce paragraphe a pour but d'évaluer les quantités de polluants présentes dans les eaux de ruissellement au sens strict, c'est à dire avant qu'elles ne pénètrent dans un élément structuré d'assainissement (conduite souterraines ou avaloirs). L'objectif est d'évaluer les risques de pollution des sols et des nappes phréatiques dans le cas d'une gestion à la source de ces eaux, par infiltration et/ou par évapotranspiration.
Risques de pollution des sols
Pour évaluer le risque de pollution des sols, nous prendrons en compte les quatre métaux les plus souvent étudiés (cadmium, cuivre plomb et zinc) pour lesquels on dispose du maximum d'information. Ces indicateurs sont représentatifs d'autres polluants, comme par exemple les hydrocarbures ou benzalkonium cité plus haut, qui sont très majoritairement fixés sur les particules solides fines. Du fait de leur adsorption sur ces particules, ils vont, pour leur plus grande part, se stocker dans les 10 à 50 premiers centimètres de sol, comme ceci a été bien montré par de nombreuses études sur la pollution des sols dans les ouvrages d'infiltration (voir par exemple GRAIE, 2006, Le Coustumer, 2008, Tedoldi et al., 2016).
Si de nombreuses études de ce type ont été faites sur la pollution des sols dans les ouvrages d'infiltration, peu se sont intéressées à la pollution diffuse dans le cas d'une gestion des eaux pluviales à la source. Pour estimer ce risque, nous effectuerons donc une évaluation sommaire en suivant le raisonnement suivant.
Les paragraphes précédents nous fournissent des fourchettes de concentration pour ces 4 métaux dans les eaux de ruissellement. Nous retenons des valeurs hautes pour ces dernières (voir tableau 5). Les masses annuelles moyennes mobilisables par unité de surface peuvent être estimées en multipliant ces concentrations par le volume d'eau précipitée, que nous choisirons ici à 1m3 par m2 (soit une hauteur totale annuelle de 1 mètre de précipitation). Nous ferons ensuite l'hypothèse que cette masse s'accumule de façon sensiblement homogène dans les 10 premiers centimètres de sol, ce qui est observé dans les ouvrages d'infiltration (voir références citées plus haut). En attribuant une masse volumique de 2500 kg/m3 au sol, cette tranche de sol de 10 centimètres sur 1 m2 pèse donc environ 250 kg. Il est alors possible de calculer l'augmentation de la concentration moyenne en métaux dans ces dix premiers centimètres en ppm. Le tableau 6 récapitule des calculs effectués et fournit les résultats obtenus.
Pour évaluer l'importance du risque associé à cette accumulation, nous utiliserons le tableau 7, construit d'après INRA-BRGM (2000) qui synthétise des valeurs guides utilisées dans différents pays pour caractériser un sol pollué.
Un calcul simple mettant en relation le taux d'accumulation et la concentration critique la plus sévère de chacun de ces pays permet de calculer le nombre d'années nécessaires pour atteindre cette concentration critique (voir tableau 8).
Conclusions pratiques sur le risque de pollution des sols et des nappes
Les résultats précédents sont relativement rassurants. En effet, même en retenant des valeurs peu favorables (concentrations élevées, absence totale d’élimination, références très sévères), le taux d'accumulation reste relativement faible par rapport aux valeurs de référence.
De façon plus intuitive il apparaît que la pollution des eaux de ruissellement est fortement liée à la pollution apportée par les dépôts secs et humides (hormis le cas important des toitures métalliques). Or ces retombées se produisent tout autant sur les sols non revêtus que sur les sols revêtus et il ne viendrait à personne l'idée qu'il faut interdire l'infiltration sous les pelouses.
Il faut cependant rester vigilant. Le calcul a été fait en choisissant une surface d'infiltration égale à la surface d'apport. Or on a souvent tendance à accumuler l'eau sur une surface réduite. Multiplier par 10 le rapport entre la surface d'apport et la surface d'infiltration revient à multiplier par 10 le taux d'accumulation. On voit donc bien que la vraie question est celle de la concentration des flux et que la solution consiste, chaque fois que c'est possible, à infiltrer l'eau précipitée au plus près de son point d'arrivée au sol.
Il serait également souhaitable d'éviter les revêtements métalliques pour les toitures(en particulier le zinc), car ces surfaces constituent, à l'échelle de la parcelle, la source principale de métaux. De même il paraît indispensable de réduire l'utilisation des pesticides et des biocides (en ville comme à la campagne !). En effet si une partie de ces produits est effectivement arrêtée dans les couches superficielles du sols, une autre partie transite directement jusqu'à la nappe phréatique (voir Maîtrise des rejets urbains de temps de pluie (HU).
Voir aussi : Pollution de l'eau de pluie (HU), Pollution des eaux pluviales (HU), Pollution des rejets urbains de temps de pluie (HU)
Bibliographie
- Becouze-Lareure, C. (2010) : Caractérisation et estimation des flux de substances prioritaires dans les rejets urbains par temps de pluie sur deux bassins versants expérimentaux. Thèse de doctorat, INSA-Lyon, laboratoire DEEP, 298 p.
- Chocat, B. Lecomte, G., Perez, F., Stora, E., Vacherie, S. (2013) : Qualité physico-chimique des flux produits par un parking en béton poreux en temps de pluie ; Novatech 2013 ; GRAIE ; téléchargeable sur : http://documents.irevues.inist.fr/handle/2042/51392.
- Clark, S.E, Steele, K.A., Spicher, J., Siu, C.Y.S., Lalor, M.M., Pitt, R., Kirky, J.T. (2008) : Roofing Materials’ Contributions to Storm-WaterRunoff Pollution ; J. of irrigation and drainage engineering ; ASCEE ; pp. 638-645.
- Garnaud, S. (1999) : Transfert et évolution géochimique de la pollution métallique en bassin versant urbain, ENPC Paris, Thèse de doctorat, 396p.
b, S. (2009) : Flux et sources des polluants prioritaires dans les eaux urbaines en lien avec l’usage du territoire. Thèse de doctorat, LEESU, Université Paris-Est, 349 p.
- GRAIE (2006) : Guide technique : Recommandations pour la faisabilité, la conception et la gestion des ouvrages d'infiltration en milieu urbain ; Programme « MGD Infiltration » du RCGU ; 62 p. ; téléchargeable sur https://www.graie.org/othu/docsactu/GuideTechnique_recommandationsouvragesinfiltration.pdf.
- Gromaire, M.-C., Veiga, L., Grimaldi, M., Aires, N. (2013) : Outils de bonne gestion des eaux de ruissellement en zones urbaines ; Agence de l’Eau Seine Normandie ; téléchargeable sur http://www.eau-seine-normandie.fr/sites/public_file/docutheque/2017-03/Document_d_orientation_bonne_gestion.pdf
- INRA-BRGM (2000) : Fonds géochimique naturel ; État des connaissances à l’échelle nationale ; téléchargeable sur : http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-50158-FR.pdf
- Le Coustumer S. (2008) : Colmatage et rétention des éléments traces métalliques dans les systèmes d’infiltration des eaux pluviales ; Thèse de doctorat ; INSA Lyon.
- Minnesota Stormwater Manual (2021) : Water quality considerations for stormwater and rainwater harvest and use/reuse ; téléchargeable sur https://stormwater.pca.state.mn.us/index.php/Water_quality_considerations_for_stormwater_and_rainwater_harvest_and_use/reuse
- NC State University (2009) : Water Quality of Rooftop Runoff : Implications for Residential Water Harvesting Systems : téléchargeable sur : https://www.ctahr.hawaii.edu/hawaiirain/Library/Guides&Manuals/NC_WaterQuality_RooftopRunoff2009.pdf
- Robert-Sainte, P. (2009) : Contribution des matériaux de couverture à la contamination métallique des eaux de ruissellement. Thèse de doctorat, LEESU, Université Paris-Est, 416 p.
- Robert, P., Gromaire, M.-C., De Gouvello, B., Chebbo, G. (2006) : Impact des matériaux de toitures sur la contamination métallique des eaux de ruissellement urbain ; 17èmes Journées Scientifiques de l’Environnement: le citoyen, la ville et l’environnement, May 2006, Créteil, France. hal-00182628.
- Roche, P.-A., Velluet, R., Aujollet, Y., Helary, J.L., Le Nouveau, N. (2017) Gestion des eaux pluviales : 10 ans pour relever le défi, Rapport Technique Conseil Générale de l’Environnement et du Développement Durable (CGEDD). Disponible sur : https://cgedd.documentation.developpement-durable.gouv.fr/documents/Affaires-0008967/010159-01_rapport-publie_tome1_synthese_diagnostic-propositions.pdf;jsessionid=68117E81D8E689F3BF6A01719FF00537
- Tedoldi, D., Pierlot, D., Branchu, P., Kovacs, Y., Chebbo, G., Fouché, O., Lessault, P.-A., Gromaire, M.C. (2016) : Rétention et transfert de polluants dans le sol d’un ouvrage d’infiltration des eaux pluviales urbaines : variabilité de la contamination de surface en éléments traces métalliques. 40èmes Journées Scientifiques du GFHN, Nov 2015, Marne-la-Vallée, France ; hal-01394938.
- Van de Voorde, A.(2012) : Incidence des pratiques d’entretien des toitures sur la qualité des eaux de ruissellement : cas des traitements par produits biocides ; Thèse de doctorat ; LEESU, Université Paris-Est, 277 p. téléchargeable sur : https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00730831/document
- Zgheib, S. (2009) : Flux et sources des polluants prioritaires dans les eaux urbaines en lien avec l’usage du territoire. Thèse de doctorat, LEESU, Université Paris-Est, 349 p.
