Impact des séries chronologiques de pluies futures à horizon 2100 sur les déversements des réseaux d'assainissement.

Doctorant : Frédéric GOGIEN

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED162 : MEGA

Les maîtres d’ouvrage des systèmes d’assainissement s’interrogent sur la nécessité de prendre en compte l’évolution du climat dans le développement de leur patrimoine. Or les prévisions climatiques accessibles ne sont pas disponibles avec des résolutions spatiales et temporelles compatibles avec une utilisation en hydrologie urbaine.
Dans un premier temps, l’objectif de cette thèse a été de développer une méthode de construction des séries chronologiques de pluies futures utilisables en hydrologie urbaine à partir des sorties de cinq modèles climatiques. Dans un second temps, afin de quantifier l’impact de ces pluies futures sur le fonctionnement des réseaux d’assainissement, deux modèles ont été élaborés en parallèle : un modèle conceptuel distribué et un réseau de neurones de type NARX. Enfin, les séries chronologiques de pluies futures ont été utilisées en entrée de ces deux modèles pour analyser la conformité des systèmes d’assainissement sur la période 2021-2100. Le site d’étude retenu pour ce travail est le système d’assainissement de Valence-Romans Agglo (Drôme).
La méthode de simulation des pluies futures proposée est fondée sur une descente d’échelle spatiale dérivée de la méthode quantile/quantile, combinée à une désagrégation temporelle par recherche d’analogues. Les résultats de modélisation montrent que les deux modèles produisent des volumes déversés au niveau du déversoir principal du système comparables suite aux étapes de calage et de validation. Les simulations réalisées à l’aide du modèle distribué indiquent une évolution des volumes déversés comprise entre +13% et +52% sur la période 2021-2100. Sur la base des mêmes pluies futures, les résultats du réseau de neurones confirment la tendance, particulièrement pour trois des cinq modèles climatiques considérés. L’analyse des déversements à l’échelle du système d’assainissement de Valence permet de conclure que pour un critère d’évaluation de la conformité basé sur le volume, le système sera jugé non conforme de manière plus fréquente dans l’avenir.

Organisée à l’occasion du lancement du 12e numéro du Pop’Sciences Mag, "Eau, maintenant ou jamais", l'Université de Lyon propose une rencontre-débat pour interroger notre rapport à l’eau dans les contextes urbains, le 7 novembre à 18h30 à la Bibliothèque de la Part-Dieu (Lyon 3e) .

Suite à l’été caniculaire que nous venons de vivre, nous prenons vraiment conscience qu’il est urgent de modifier nos modes de vie et pratiques, notamment dans les villes. Il est maintenant nécessaire de re-végétaliser les espaces, rendre perméable les sols et surfaces de la ville, penser de nouveaux systèmes pour gérer, collecter et utiliser les eaux de pluie…

Cette rencontre-débat proposera alors un éclairage sur cette question par les regards croisés de Marie Privé, journaliste pour le Pop’Sciences Mag, et Jean-Luc Bertrand-Krajewski, enseignant chercheur en hydrologie urbaine au laboratoire DEEP (INSA Lyon).

À l’issue de la rencontre, vous pourrez découvrir et recevoir en avant-première le Pop’Sciences Mag Eau, maintenant ou jamais !

Cette année encore, la Fête de la science, événement phare et populaire, célèbrera le partage des sciences, du 6 au 16 octobre 2023 en France métropolitaine et du 10 au 27 novembre en Outre-mer et à l’international.

Pour cette nouvelle édition, c’est le sport et la pratique sportive qui seront mis à l’honneur dans le cadre des Jeux Olympiques et Paralympiques de Paris 2024.

Qu’il s’agisse de bien-être ou de haut niveau, qu’on le pratique comme un loisir ou dans un cadre éducatif, en amateur ou en professionnel, le sport occupe une place centrale dans notre quotidien et notre société. Il brille par son omniprésence sociale, économique, médiatique… et aussi scientifique.

La Fête de la science 2023 invitera chercheurs et citoyens à se retrouver autour du plaisir du sport afin de nourrir le dialogue entre sciences et société, entre chercheurs et citoyens. Un moment de partage qui permettra de mettre en lumière la contribution des chercheurs dans l’amélioration des performances des sportifs, et le développement des connaissances trouvant des applications dans de nombreux secteurs, tels que la pharmacologie, les matériaux, les neurosciences, la psychologie ou encore la médecine.

Organisée chaque année par le ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche, la Fête de la science est devenue un rendez-vous incontournable pour tous les publics. Pendant une dizaine de jours, familles, scolaires, étudiants, amateurs ou passionnés de sciences échangeront lors de milliers d’événements gratuits proposés partout en France.

 

Depuis presque 30 ans, la conférence Novatech se positionne comme une rencontre internationale de référence pour promouvoir des solutions en faveur d'une gestion intégrée et durable des eaux pluviales, à travers le croisement des approches et le dialogue inter-acteurs.

💧💦 Novatech promeut une dynamique d'innovation, des solutions basées sur la nature aux territoires eau-responsables ! 💧💦

Scientifiques, décideurs, gestionnaires et techniciens, français et internationaux, exposent et prennent connaissance à Novatech des dernières recherches, innovations et perspectives d’évolution. Ils font connaître et partager leurs expériences techniques et stratégiques.

Novatech accueille à la fois les acteurs de l’eau – assainissement et milieux aquatiques – et les acteurs de l’aménagement du territoire – urbanistes, aménageurs, paysagistes, architectes, sociologues – qui ont en commun la gestion et l’aménagement d’un territoire. Ainsi, Novatech favorise la construction d’une culture commune sur la gestion de l’eau, contribue au transfert des connaissances et incite à l’évolution des pratiques.

The future of Green Infrastructure: From climate data to informed hydrological performance

Doctorant : Vincent PONS

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

The 21st century presents numerous challenges to urban stormwater management, including the impacts of changes in both climate and city morphology. These challenges necessitate rethinking the stormwater management paradigm, particularly in the context of existing and ageing infrastructure. This thesis deals with green infrastructures (GI) considered as decentralized multifunctional infrastructures that utilize evapotranspiration and/or horizontal and vertical infiltration to achieve a hydrological function.
This study evaluates the potential of GI to manage day-to-day rainfall events, attenuate major events, and contribute to the management of extreme events in the context of climate change adaptation. It also aims to provide a framework and tools to realign current GI modelling and design methods with the principles of robust decision-making.
The 21st century presents numerous challenges to urban stormwater management, including the impacts of changes in both climate and city morphology. These challenges necessitate rethinking the stormwater management paradigm, particularly in the context of existing and ageing infrastructure. This thesis deals with green infrastructures (GI) considered as decentralized multifunctional infrastructures that utilize evapotranspiration and/or horizontal and vertical infiltration to achieve a hydrological function.
This study evaluates the potential of GI to manage day-to-day rainfall events, attenuate major events, and contribute to the management of extreme events in the context of climate change adaptation. It also aims to provide a framework and tools to realign current GI modelling and design methods with the principles of robust decision-making.
The thesis investigates how to use climate and hydrological present and future data with hydrological GI models to extract relevant information for decision-making under deep uncertainty. The results provide guidelines for i) designing experiments to calibrate reliable hydrological models and ii) using available climate projections together with weather generators for GI performance evaluation. The proposed framework HIDES demonstrates how future downscaled time series can be used to evaluate annual retention distribution and frequency of exceedance, while sampling extreme events allows for estimating both a probability of failure and an indication of the behaviour of GI under failure.
The thesis suggests rethinking the methods for implementing GI at the city scale. The study shows that system-based design outperforms site-scale design through modelling at the roof scale of a neighbourhood, and that lumping GI models at a neighbourhood scale may neglect interactions and fail to estimate performance. The thesis highlights the need to couple GI to achieve challenges in stormwater management.

Parmi les conséquences du changement climatique qui pourront affecter la vie sur Terre, le GIEC décrit l’avènement d’évènements météorologiques plus intenses voire extrêmes dans certaines régions. Les probables épisodes de pluie intenses et fréquents pourraient impacter le mode de gestion des eaux pluviales urbaines.

Au sein du laboratoire DEEP¹, l’impact du changement climatique sur le réseau d’assainissement unitaire est au cœur de la thèse de Frédéric Gogien. Cet expert en assainissement au sein de Veolia a consacré une partie de ces trois dernières années à évaluer les conséquences des « pluies du futur » sur le fonctionnement hydraulique des réseaux. Accompagné par Gislain Lipeme Kouyi, professeur des Universités et Magali Dechesne, chercheure en ingénierie environnementale au centre de recherche de Veolia, il montre que l’adaptation est nécessaire. Face à l’augmentation des débits déversés, des volumes conséquents d’eau non-traitée pourraient se retrouver dans les milieux naturels.

Simuler les événements pluvieux du futur
C’est un travail très méthodique dans lequel s’est lancé Frédéric Gogien lors de ses premiers mois de recherche. Pour simuler l’évolution des précipitations d’ici 2100, le doctorant a mis en place une méthodologie² de construction des pluies futures, appliquée à la ville de Valence. « L’idée générale de cette méthode consiste à se dire qu’un épisode orageux dans le futur ressemblera vraisemblablement à un épisode orageux d’aujourd’hui, mais que son intensité pourra être modifiée. Nous avons réitéré l’exercice à partir de cinq modèles climatiques différents, produisant des résultats contrastés de manière à prendre en compte les incertitudes. » C’est ainsi qu’en étudiant les pluies d’hier, Frédéric Gogien a par analogie, simulé les pluies de demain pour répondre à la question suivante : si d’ici 2100 le système de gestion des eaux urbaines ne subit pas d’évolution, quelles seront les conséquences de ces pluies sur le fonctionnement hydraulique du réseau d’assainissement, notamment sur les déversoirs d’orage ?

Un réseau unitaire déjà à flux tendu
Traditionnellement gérées via des réseaux d’assainissement, les eaux urbaines sont l’objet d’une ingénierie hydraulique poussée. Collectées au sein du réseau dit « unitaire », les eaux usées et les eaux pluviales sont généralement transférées vers des stations d’épuration pour être traitées, avant d’être rejetées vers le milieu naturel. Seulement, lorsque la pluie bat son plein, il est nécessaire d’alléger les infrastructures pour prévenir les débordements. « Parmi les infrastructures capables de décharger le trop-plein de volume, on peut citer les déversoirs d’orage, placés en amont des stations d’épuration et qui agissent comme des soupapes de sécurité et permettent de garantir les performances de traitement. La majorité des rejets des déversoirs rejoint les milieux naturels sans aucun traitement », indique Gislain Lipeme Kouyi.

Parmi les facteurs aggravant la gestion à flux tendu des réseaux d’eaux urbaines, l’urbanisation et l’imperméabilisation des sols, règnent en maître. « Moins l’eau de pluie s’infiltre naturellement dans le sol, plus le réseau unitaire doit gérer des quantités d’eau pluviale importantes, en sus des eaux usées des habitants. À l’avenir, il est peu probable que nos réseaux d’eau actuels soient en capacité de gérer la puissance des ruissellements et les volumes liés au changement climatique », ajoute l’enseignant-chercheur.

Quand la pluie fera dérailler la règlementation
Si les déversoirs d’orage offrent une souplesse de gestion, les rejets des eaux urbaines dans les milieux naturels, eux, sont soumis à une règlementation stricte. Pour les systèmes d’assainissement qui ont fait le choix du critère réglementaire fondé sur le volume, il est autorisé de déverser l’équivalent de 5 % du volume total³ d’eaux usées produit annuellement par l’agglomération. « Cette règlementation pousse à assurer une protection minimum des milieux naturels. J’ai cherché à savoir si les pluies du futur pourraient modifier la conformité d’un système d’assainissement particulier », ajoute Frédéric Gogien. C’est ainsi que le doctorant et ingénieur a simulé les conséquences des pluies futures sur les déversements du réseau unitaire valentinois. « La tendance est très claire sur le volume rejeté dans les milieux naturels. En fonction des modèles climatiques utilisés, les chiffres varient, mais tous montrent qu’il y aura forcément plus de rejets d’eau non traitée dans les milieux naturels via les déversoirs d’orage », poursuit Frédéric Gogien.

Une adaptation nécessaire
Les résultats du travail de thèse de Frédéric Gogien appellent à imaginer rapidement des solutions pour une gestion nouvelle des systèmes d’assainissement en zones urbaines. « La question de la déconnexion des eaux de ruissellement des réseaux unitaires commence à être traitée à l’échelle européenne, notamment à travers le projet ‘Ville perméable’ porté par la Métropole de Lyon ou encore un projet⁴ entamé au sein du laboratoire DEEP. Il s’agit surtout pour les villes de déployer des solutions d’adaptation fondées sur la nature à grande échelle dans le but de favoriser l’infiltration, l’évapotranspiration et de promouvoir la réutilisation d’une partie des eaux de pluie », ajoute Gislain Lipeme Kouyi. Un plan national d’actions pour la gestion des eaux pluviales a émergé en 2021, visant à structurer les politiques publiques en matière de gestion des eaux pluviales. « Il est désormais entre les mains des décisionnaires de favoriser les solutions qui permettent de recréer un nouvel écosystème vertueux. Végétaliser les espaces urbains permet par exemple de baisser la température des villes de 2°C à 4°C. Une ville perméable et végétale est la promesse d’une ville durable, mais surtout vivable », conclut le professeur des Universités.

 

À Lyon, la rue Garibaldi a fait l’objet d’un projet de réaménagement favorisant l’infiltration
et la réutilisation des eaux pluviales. (©Cerema)

 

 

Low cost sensors for monitoring stormwater source control measures

Doctorant : Qingchuan ZHU

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

The large-scale deployment of low-cost sensors has the potential to revolutionize the field of urban hydrology monitoring, in particular for decentralised stormwater management systems, bringing expanded research scope and improved urban water management. However, this area is still in its infancy stage and needs a more systematic assessment framework to ensure data reliability and facilitate its implementation by researchers and practitioners.
To fill this gap, this thesis explores low-cost monitoring systems dedicated to stormwater source control measures (SCM). Several open-source low-cost sensors and systems have been calibrated and validated in DIY (Do It Yourself) aiming to assess the medium and long-term performance and identify maintenance problems. This thesis provides:
(i)    A review of low-cost meteorological, water quantity and quality sensors that are used in literature published in recent years, in a unified metrological framework considering numerous parameters.
(ii)    A low-cost meteorological sensors testbench on the INSA green roof platform and comparison between low-cost and conventional air humidity, wind speed and solar radiation sensors. Low-cost sensors are generally found to have comparable performance to conventional sensors, with the exception of pyranometers.
(iii)    The development of a low-cost stand-alone rain gauge station, with a method to calibrate low- cost tipping bucket rain gauges, and a comparison between low-cost and conventional rain gauges from summer to winter. Low-cost tipping bucket rain gauge WH-SP-RG and optical rain gauge RG- 15 have significant sensor-to-sensor variation.
(iv)    The development of a low-cost stand-alone water level monitoring station, with a method to calibrate low-cost pressure water level transmitters, and a one-year long operation assessment. The system developed works satisfactorily but is vulnerable to electromagnetic interference.
(v)    A low-cost turbidimeter testbench and a SEN0189 low-cost turbidimeter performance assessment, which shows significant sensor-to-sensor variation.

Soutenance publique

Maître de conférences : Mathieu Gautier

Laboratoire INSA :  DEEP

Rapporteurs :

• Mme DELUCHAT Véronique Professeur Université de Limoges
• M. ROUSSEAU Diederik Professeur Ghent University, Belgique
• M. MOTELICA-HEINO tefan Mikael Professeur Université d’Orléans

Jury :

Mme	DELUCHAT	Véronique	Professeur	Université de Limoges	Rapporteur
M.	ROUSSEAU	Diederik	Professeur	Ghent University, Belgique	Rapporteur
M.	MOTELICA-HEINO	Stefan Mikael	Professeur	Université d’Orléans	Rapporteur
Mme	GONDRAN	Natacha	Professeur	Mines Saint-Etienne	Examinateur
M.	MOLLE	Pascal	Directeur de Recherche	INRAE	Examinateur
M.	GROSSI	Vincent	Directeur de Recherche	CNRS - Université Claude Bernard, Lyon1	Examinateur
M.	LASSABATERE	Laurent	IDTPE-MTES, HDR	LEHNA ENTPE / Lyon1	Examinateur
M.	GOURDON	Rémy	Professeur	INSA Lyon	Examinateur

Impacts de l'épandage agricole de matières fertilisantes d'origine résiduaire (Mafors) sur les organismes terrestres

Doctorant :   Olivier ROQUES

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED206 : Chimie de Lyon

Les matières fertilisantes d’origine résiduaire (Mafors) sont utilisées dans l’agriculture comme amendement organique du sol pour améliorer sa structure, sa fertilité et son activité biologique. En France, les effluents d’élevage représentent la grande majorité des Mafors épandues, suivis des boues urbaines et industrielles ainsi que des composts. Toutefois, l’épandage des Mafors peut présenter un risque de contaminations biologiques et chimiques des sols agricoles. La valorisation des Mafors par épandage nécessite donc de maîtriser les risques environnementaux qu’elle génère, et plus particulièrement les risques écotoxicologiques. L’objectif de cette étude est de mettre en place une démarche expérimentale pour évaluer les potentiels d’effets écotoxicologiques associés à l’épandage de Mafors. Pour cela, une batterie de bioessais en laboratoire est mise en place pour évaluer l’écotoxicité de trois Mafors, sélectionnées pour leur représentativité des épandages agricoles (boue d’épuration, fumier et lisier de vache) sur trois organismes terrestres (vers de terre, plantes et microorganismes). L’évaluation écotoxicologique comprend une analyse chimique et des tests de toxicité aiguë (activité enzymatique, germination, létalité). Une absence d’écotoxicité aiguë est avérée à des doses d’épandage réalistes en Mafors, probablement masqué par un effet bénéfique observé par l’ajout de matière organique. La méthodologie est complétée par la conception et la réalisation de tests de toxicité chronique faisant intervenir des paramètres biologiques plus sensibles à de faibles contaminations (croissance des plantes et reproduction des vers de terre). L’écotoxicité chronique des Mafors s’est manifestée par des effets reprotoxiques et des perturbations des réserves énergétiques des vers de terre exposés à des sols amendés en boue d’épuration et en lisier à des doses d’épandage réalistes (20 g/kg MS). En complément, le transfert potentiel de polluants (éléments traces métalliques et résidus de médicaments) présents dans les sols amendés est suivi et les résultats ne mettent pas en évidence une bioaccumulation dans les vers de terre.

Jusqu’où peuvent s’infiltrer les molécules pharmaceutiques des médicaments que nous ingérons ? Depuis plusieurs années, les pouvoirs publics et la communauté scientifique s’interrogent sur la présence de résidus de médicaments dans l’eau et, a fortiori, dans les nappes souterraines. Au sein du laboratoire DEEP, Noémie Pernin, ingénieure INSA et doctorante, travaille sur le sujet avec deux laboratoires INRAE de Versailles-Grignon et Narbonne¹.

À travers le projet Télesphore, un nom² tout indiqué pour une étude qui se consacre à évaluer la contamination des sols par des résidus de médicaments et de biocides, Noémie étudie le parcours de ces polluants. Depuis deux ans, elle observe leur mobilité vers les nappes phréatiques à travers l’épandage agricole de boues urbaines et de lisiers. Jusqu’alors, ils restent présents à l’état de traces dans les sols. Explications. 

Pour amender les terres agricoles, il n’est pas rare que les boues urbaines, résultant du traitement des eaux usées, soient utilisées. Riches en matières organiques, en azote et en phosphore, elles représentent une source de fertilisant pour les sols appauvris, évitant ou réduisant l’usage d’engrais chimiques. « Au même titre que le lisier, l’épandage agricole avec des boues urbaines est une solution souvent utilisée localement et peu coûteuse. Seulement, ces deux sources de nutriments peuvent contenir des résidus pharmaceutiques et des biocides », annonce Noémie Pernin. 
La pratique de l’épandage est fortement réglementée en France : les boues provenant des stations d’épuration doivent répondre à des critères bactériologiques et de contamination précis, comme l’absence de certains métaux lourds ou polluants organiques. Néanmoins, aucune réglementation concernant les résidus pharmaceutiques et les biocides n’est actuellement en vigueur. « Mon travail de thèse s’applique à étudier le comportement de ces molécules dans le sol, pour savoir si, lorsque l’on épand ces boues et lisiers, il existe un potentiel transfert vers les nappes phréatiques. » 

Comment les molécules pharmaceutiques et les biocides s’immiscent-ils donc dans les sols ? « Que ce soit pour le lisier ou les boues, la présence de ces molécules résulte de l’activité humaine. Pour les médicaments, nous en consommons nous-mêmes et en administrons régulièrement aux animaux d’élevage. Pour les biocides, ce sont des molécules présentes dans les produits d’entretien de la vie quotidienne comme les fongicides par exemple. Toutes ces molécules sont finalement acheminées vers les stations d’épuration, par les systèmes de collecte des eaux usées, ou directement dans le lisier dans les élevages. Seulement, les stations d’épuration n’ont pas été conçues pour traiter ce genre de pollution. » La doctorante de DEEP rassure : « Les boues et les lisiers autorisés pour l’épandage ne présentent bien sûr pas de risques bactériens. Il s’agit surtout de s’intéresser aux risques environnementaux, et des études sur les impacts directs et indirects sont encore en cours. »

Pour réaliser ses expérimentations, Noémie Pernin dispose d’un terrain expérimental en Haute-Savoie mis à disposition par le Syndicat des Eaux des Rocailles et de Bellecombe. Un territoire « privilégié » puisqu’il accueille principalement des vaches laitières dont le lait est utilisé pour fabriquer des fromages Reblochon ; une appellation protégée qui contraint les producteurs à éviter certains pharmaceutiques et biocides. « La première étape a été de rencontrer les éleveurs pour comprendre leurs pratiques d’épandage. On les a ensuite reproduites selon les mêmes conditions calendaires et de doses d’apport. Nous avons principalement suivi des molécules d’antibiotiques, d’antiparasitaires, quelques fongicides et désinfectants. »
Pendant ses deux premières années de travaux, la doctorante a prélevé ses échantillons de sols et d’eaux, jusqu’aux premiers résultats. « Pour l’instant, nous n’avons retrouvé que de très faibles concentrations, des niveaux très proches des limites analytiques. Les molécules restent dans les couches de surface du sol et sont peu mobilisées vers des horizons plus profonds. » 

Si la migration de ces polluants vers les couches profondes des sols semble limitée, il n’en convient pas moins de rester prudent. « Ces premiers résultats ne suffisent pas à tirer des conclusions à long terme car il y a énormément de processus en jeu dans le devenir de ces molécules. L’enjeu suivant est de comprendre s’il y a, même à l’état de traces, des impacts, notamment en cas d’accumulation de ces résidus polluants. Il existe des impacts certains sur les écosystèmes aquatiques et des phénomènes de résistance. Certaines bactéries deviennent plus résistantes aux antibiotiques par exemple. Ce sont des effets indirects qui pourraient devenir à terme un danger pour la santé humaine. »
Et lorsque l’on interroge la doctorante sur les possibilités de limiter les intrants pharmaceutiques et biocides dans les sols, elle répond : « À l’échelle du citoyen, il conviendrait d’adopter des réflexes simples, comme ramener les médicaments inutilisés en pharmacies ou privilégier les nettoyants naturels aux produits synthétiques. » 

Les résultats de la thèse de Noémie Pernin, qu’elle soutiendra à la fin de l’année, viendront compléter les études du programme RISMEAU³ qui vise à contribuer à la mise en œuvre de stratégies et d’actions pour réduire les impacts des rejets sur les ressources en eau de la Vallée de l’Arve, dans les Alpes. Les études d’impact font l’objet d’un second projet de thèse co-encadrée par les laboratoires DEEP et LEHNA (ENTPE), « Perséphone », menée par Olivier Roques qui soutiendra sa thèse à la fin du mois de janvier.

 

[1] La thèse de Noémie Pernin est financée par l’Agence de l’Eau Rhône Méditerranée Corse et par l’EUR H2O’Lyon.
[2] Dans la mythologie, Télesphore, troisième fils d’Asclépios dieu de la médecine, est le dieu de la convalescence.
[3] RISques liés aux résidus de Médicaments, biocides et antibiorésistance d’origine humaine et vétérinaire sur les ressources en EAU du bassin versant de l’Arve.