Traitement des eaux pluviales et des surverses de déversoir d'orage par filtres plantés à écoulement vertical avec aération forcée pour améliorer la qualité de l'eau

Doctorante : Daniella GONÇALVES PORTELA

Laboratoire : REVERSAAL - REduire Réutiliser Valoriser Les Ressources Des Eaux Résiduaires
École Doctorale : ED206 Chimie de Lyon

Les surverses de déversoir d'orage constituent des sources importantes de pollution aquatique et ont été efficacement traitées par les filtres plantés à écoulement vertical. Cependant, les performances du système en matière d'élimination des polluants dissous et des micropolluants peuvent être affectées par les caractéristiques des précipitations. C'est pourquoi deux filtres plantés à écoulement vertical (CSOA et CSOB) , équipés d'un nouveau design avec aération forcée et d'une couche saturée d'environ un mètre ont été testés sur une période d'un an et demi. Le CSOA utilisait du gravier comme couche de filtration supérieure, tandis que le CSOB utilisait du sable et une couche de transition. Des traçages ont été effectués pour évaluer leur hydrodynamique. Les stratégies d'aération ont été testées dans le CSOA et la stratégie d'aération optimale a ensuite été testée sur les deux filtres pour comparaison, et les effets des charges organiques et hydrauliques variables ont également été évalués. Les paramètres globaux de qualité de l'eau et les micropolluants ont été mesurés à l'entrée et à la sortie, tandis que le potentiel redox et les concentrations en oxygène ont été surveillés en ligne. Quelques échantillons d'indicateurs fécaux (FI) ont été prélevés. Les résultats indiquent que l'aération a augmenté le temps de résidence et l'agitation dans les filtres. Dans des conditions fortement aérées, les polluants dissous, tels que la DCO dissoute et NH4-N, ont été efficacement éliminés. Cependant, l'observation de taux de nitrification plus élevés indique que la transformation du NH4-N en N03-N pendant l'alimentation dépendait fortement de l'accumulation d'azote lors des essais précédents. Enfin, les micropolluants, y compris certains produits chimiques industriels fréquemment présents dans l'influent, peuvent être éliminés dans le filtre. Cependant, l'aération n'a pas été un facteur clé pour l'élimination des micropolluants et des FI, contrairement à l'élimination des polluants dissous.

Conférence de Christian Arlet, Direction du cycle de l’eau, Métropole de Lyon

Dans le cadre des midis de l’aménagement, organisés par le département GCU et la composante EVS de l’INSA Lyon, nous recevons Christian Arlet, responsable de l’équipe “Ville perméable” de la Direction du cycle de l’eau de la Métropole de Lyon pour nous parler de la politique de gestion des eaux urbaines de l’agglomération lyonnaise. La Métropole de Lyon est reconnue pour sa gestion intégrée des eaux urbaines, notamment son utilisation des techniques alternatives au réseau d’assainissement depuis les années 1990. En 2014, la Métropole de Lyon lance le projet “Ville perméable”.

Ce projet vise à désimperméabiliser les sols urbains et à privilégier l’infiltration des eaux pluviales sur site. Au cours de la période 2017-2019, la collectivité territoriale a désimperméabilisé 113 ha. D’ici 2026, il s’agira de désimperméabiliser 400 ha supplémentaires : voirie, cours d’école et de collège, cours d’immeubles sont concernées.

Mise au point d’une méthodologie de déconnexion des eaux urbaines à l’échelle d’un bassin versant

Doctorante : Violeta Alexandra MONTOYA CORONADO

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale :  ED162 MEGA

À l’ère de l’anthropocène, les villes se voient confrontées à la nécessité d’adapter leurs systèmes de drainage urbain, et de mettre en place une gestion intégrée des eaux pluviales visant à minimiser les rejets urbains par temps de pluie, notamment les rejets des déversoirs d’orage.
Trois objectifs étaient visés dans le cadre de cette thèse : (i) comprendre et conceptualiser les phénomènes complexes du système urbain afin de développer un modèle hydrologique et hydraulique (HH) à l’échelle du bassin versant urbain qui soit peu gourmand en paramètres d’entrée, et qui puisse modéliser les déversements à l’échelle annuelle ; (ii) améliorer les connaissances sur l’élaboration des stratégies de gestion des eaux pluviales à la source permettant de répondre aux défis liés aux déversements du réseau unitaire et ; (iii) évaluer l’impact, sur les déversements, de la dissémination globale (à l’échelle du bassin versant) et ciblée (à l’échelle de sous bassins versants) des ouvrages de gestions des eaux pluviales et leur robustesse pour faire face au changement climatique.
Pour répondre à ces objectifs, les différentes composantes urbaines contribuant aux déversements ont été caractérisées et quantifiées. Un modèle HH à base physique, parcimonieux et permet de simuler les déversements. L’évaluation du modèle a montré sa capacité à simuler les volumes déversés et fréquences de déversement à l’échelle annuelle. Ce modèle a été utilisé par la suite pour simuler des scénarios d’aménagement urbain. Les résultats montrent que si une gestion basée sur la déconnexion et la désimperméabilisation permet de réduire efficacement le volume et la fréquence de déversements, cet effort doit être réparti sur l’ensemble du bassin versant pour atteindre les niveaux réglementaires exigés. Enfin, une étude de sensibilité a montré que de telles stratégies de gestion des eaux pluviales permettraient d’atténuer les effets du changement climatique.

Modélisation hydrologique de l'infiltration des eaux pluviales dans les sols urbains en prenant en compte les chemins préférentiels

Doctorante : Asra ASRY

Laboratoire INSA : DEEP

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

L'infiltration joue un rôle crucial dans le cycle urbain de l'eau en servant comme limite entre le ruissellement et de l'absorption. Cette étude vise à relever le défi de modéliser de manière pratique et fiable l'infiltration pour les Systèmes de Gestion Durable des Eaux Pluviales (SUDS), en mettant l'accent sur une approche facilement ajustable basée sur des principes physiques, cherchant à équilibrer entre complexité et parcimonie.
Cela implique la nécessité de réduire au maximum le nombre de paramètres, l'utilisation de paramètres physiques collectés sur le terrain et l'examen de l'impact des macropores sur les taux d'infiltration à travers les SUDS. Diverses méthodes ont été introduites et évaluées pour répondre à ces questions. Dans un premier temps, cette thèse propose le développement d'un nouveau module appelé INFILTRON-mod, un modèle d'infiltration basé sur des principes physiques et pouvant être calibré facilement, démontrant ainsi son potentiel d’intégration dans des modèles hydrologiques. Un ensemble important de données expérimentales ainsi que des résultats synthétique (Hydrus) sont utilisés pour la validation. Ensuite, la thèse étend le modèle proposé en incorporant un concept de perméabilité duale pour prendre en compte les écoulements préférentiels dans les SUDS. Finalement, cette étude conduit à une analyse de l'incertitude et de la sensibilité des modèles proposés.
Pour conclure, cette thèse a produit des informations cruciales pour l’optimisation de la modélisation des outils de gestion des eaux urbaines en couplant un volet « science du sol » et un volet « modélisation hydrologique des SUDS ». Il est recommandé de poursuivre les recherches pour améliorer et élargir la portée des modèles proposés, contribuant ainsi à une représentation plus précise des phénomènes hydrologiques dans leur complexité au sein des SUDS.
 

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 !

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)

 

 

Dans la famille des lauréats des Campus Responsables, bienvenue à l’INSA Lyon. À l’occasion de la 6^e édition des Trophées des Campus Responsables qui récompensent chaque année les établissement d’enseignement supérieur ayant mis en œuvre des projets de développement durable innovants, l’INSA Lyon s’est vu remettre un trophée pour deux de ses projets inspirants : des restaurants durables et une gestion des eaux pluviales plus « verte ». Une récompense adressée à toute la communauté INSA Lyon embarquée depuis plusieurs années dans une transition écologique globale, et porteuse de sens. Explications.

Fruit d’une dynamique collective, la récompense des Trophées des Campus Durables fait écho à une démarche développement durable dans laquelle est engagé l’établissement. « Le fait de concourir à cette compétition entre en résonnance avec notre démarche et l’obtention du label Développement Durable & Responsabilité Sociétale (DD&RS) que nous avons obtenu l’année dernière et pour quatre années. Cela témoigne d’une dynamique enthousiasmante et porteuse de sens pour une grande diversité d’acteurs, personnels et étudiants. Notre campus qui s’avère être un formidable terrain d’expérimentation pédagogique et scientifique au service de la qualité de vie et de travail. D’ailleurs, nous sommes le seul établissement de la compétition à avoir été récompensé pour les deux projets présentés : ses restaurants écoresponsables et sa gestion durable des eaux pluviales ! », explique Mathieu Bouyer, responsable de la cellule DD&RS.

Des restaurants écoresponsables
Sur le campus de l’INSA Lyon, sept points de restaurations distribuant près de 4500 repas par jours ont été repensés par les étudiants dans le cadre du projet POLEn. « Grâce au travail des étudiants de 3e année de Génie Énergétique et Environnement et l’engagement pédagogique des enseignants, nous avons travaillé successivement sur l’approvisionnement responsable des denrées (saisonnalité, circuit-courts, agriculture raisonnée), la qualité de l’assiette et son coût carbone ainsi que sur la sensibilisation des usagers à la lutte contre le gâchis alimentaire et la réduction des déchets. Une éco-ligne proposant des repas végétariens et des menus bas-carbone a été expérimentée puis intégrée durablement dans le service. Toutes ces actions ont permis d’améliorer la qualité environnementale du fonctionnement des restaurants tout en proposant une alimentation plus qualitative et plus saine », indique Carole Brunie, directrice vie de campus à l’INSA Lyon.

Une gestion des eaux pluviales plus intégrée
La gestion des eaux pluviales urbaines est un enjeu fort de la ville de demain dans un contexte de raréfaction de la ressource. Les expérimentations « grandeurs natures » coordonnées par le laboratoire DEEP (Déchets Eaux Environnement Pollutions) se sont progressivement intégrées dans les aménagements paysagers du campus portés par le Service Inter-Universitaire du Domaine de la Doua : bassins, noues et tranchés d’infiltration, rivière sèche, jardin de pluies, parkings poreux, chaussées stockantes…. Tous ces dispositifs extensifs qui « infiltrent l’eau là où elle tombe » permettent de mesurer le flux d’eau et l’abattement des polluants par le sol. Ils ont démontré qu’ils étaient plus efficaces que les dispositifs conventionnels (réseaux unitaires, stations d’épuration). Ils participent aussi à la création d’îlots de fraîcheur urbain et au développement de la biodiversité en ville qui joue un rôle complémentaire d’évapotranspiration et de filtration des polluants atmosphériques. « Cela fait plus de 30 ans que nous travaillons en collaboration avec la métropole de Lyon sur ces problématiques. Le campus est devenu une vitrine technologique du savoir-faire scientifique local et un outil très important des dispositifs de recherche du GRAIE (Groupe de Recherche, d’Animation technique et d’Information sur l’Eau) qui rassemble collectivités, entreprises et organismes de recherche. Ce démonstrateur à l’échelle d’un éco-campus urbain est une source d’inspiration pour penser et construire la ville de demain », explique Sylvie Barraud, directrice du départent GCU et enseignante-chercheure au laboratoire DEEP.

Un trophée qui donne envie de continuer à agir
Face au succès de la candidature de l’INSA Lyon aux Trophées des Campus Durables, Nicolas Gaillard, directeur-adjoint délégué au Développement Durable et Patrimoine de l’établissement appelle les troupes engagées sur cette lancée à continuer leurs démarches. « Plusieurs projets collaboratifs sont encore à venir ! La logique de mise en situation de la formation et de la recherche appliquées aux enjeux DD&RS du campus est une recette gagnante de la stratégie de l’établissement : les étudiants se forment in situ à la conduite du changement, la recherche donne de la lisibilité à son savoir-faire, la qualité de vie des usagers du campus se retrouve améliorée. Ce trophée est une belle façon de nous conforter dans l’idée que nous sommes sur une voie prometteuse depuis quelques années. Il nous faut continuer ensemble sur cette lancée ! », conclut Nicolas Gaillard.