EAUX DE TOITURES ET EAUX DE VOIRIE


par


Patrick MOUYON (*)




LESSIVAGE DES EAUX DE RUISSELLEMENT DES TOITURES


Les eaux de ruissellement des toitures ayant longtemps été considérées comme peu polluées, ce n'est que récemment qu'elles ont soulevé l'intérêt des chercheurs. Comme nous l'avons vu ci-dessus, les toitures représentent 50 à 60 % de l'occupation du sol, de ce fait les eaux de toitures représentent au moins la moitié du volume du ruissellement d'une zone urbaine et représentent donc un enjeu majeur dans la lutte contre la pollution.


1- Concentration des eaux de ruissellement de toitures pour les MES oxydables, les métaux, les hydrocarbures et influence de la nature du toit.


- Importance du pH


Le pH est un facteur déterminant pour la qualité des eaux de ruissellement de toitures. Le pH souvent acide des eaux de pluie favorise la désorption et la solubilisation par l'eau de ruissellement de certains éléments, notamment les éléments métalliques.


D'autre part, le pH des eaux de ruissellement est susceptible d'influencer la répartition des différents polluants entre les phases dissoutes et particulaires.

L'ensemble des études faites note une augmentation du pH lors du ruissellement des eaux de pluie sur la toiture. Cette augmentation est provoquée par la dissolution des particules amassées à la surface du toit et par le matériel composant le revêtement. L'importance de l'effet tampon varie en fonction de la nature du revêtement du toit (figure 4) [Mottier ;1994].




Figure 4 : Evolution du pH des eaux de ruissellement au cours d'une pluie pour différents types de toitures. [Mottier ;1994].


· L'augmentation du pH est maximum pour un toit en ciment fibreux et les toits-terrasses couverts de gravillons sur lesquels on retrouve généralement beaucoup de CaCO3 (variation jusqu'à 3,5 unités de pH).

· Les toits en tuiles de béton et les toits en zinc sont en position intermédiaire.

· Les toits en tuiles et en feutre bitumé présentent une faible augmentation de pH.


Comme on le constate sur la figure 4 les valeurs de pH restent stables au cours de l'événement pluvieux. L'effet tampon serait donc essentiellement lié à la dissolution du matériau de toiture plutôt qu'à celle des particules déposées sur la toiture



- matière en suspension et matière oxydable



polluants

Concentrations en mg / 1

MES

6 à 14

MVS

3 à 26

DCO

12 à 73

DBO5

2 à 13


Tableau 5: Ordre de grandeur des concentrations en MES, MVS, DCO et DBOS pour différentes toitures. D'après [Mottier ;1994] [LHRSP ; 1994] [Saget ;1994]


D'après les valeurs le tableau 5 on observe une grande variabilité des résultats d'un événement pluvieux à l'autre, ceci quel que soit le site de mesure et le paramètre de pollution considéré. II en ressort tout de même que les charges en matières en suspension et en matières oxydables dans les eaux de ruissellement de toitures sont généralement faibles au regard de ces mêmes paramètres mesurés sur la voirie. (Voir tableau 9 ).


En effet, il a été montré que les eaux de toiture apportent entre 10 et 40% du flux total en MES, MVS, DCO et DBOS qui arrive à l'entrée des réseaux. Une telle variation de ces apports dépend étroitement des caractéristiques de la toiture (nature du revêtement, nature des gouttières, âge, état...) de sa localisation, de la présence d'oiseaux ou de végétation (mousse, débris de végétaux sur la toiture ou sur les supports). [Mottier ;1994]


Une comparaison entre six toitures de types différents à permis de relier les concentrations en MES dans l'eau de ruissellement à la nature de la couverture (figure 5).




Figure 5 : variation de la concentration en MES dans l'eau de ruissellement en fonction de la nature du toit. [Mottier ;1994]



Ce schéma est à relier aux phénomènes suivants :


· Une faible rugosité et généralement une forte pente des toits en zinc qui facilite leurs lessivage par la pluie donc la récupération des particules par l'eau de ruissellement.

· Une usure du toit en ciment et généralement une plus faible pente favorisant légèrement moins le lessivage.

· Un effet de filtration par les graviers des toits terrasses qui retiennent les particules. Ce type de toiture agirait donc comme un puits de pollution alors que les autres types de toitures sont des sources de pollution.



- Métaux et hydrocarbures


Métaux


La grande majorité des métaux contenus dans les eaux de ruissellement provient des toitures. 65 à 80 % de la masse de Cadmium, Plomb, Zinc et Cuivre sont attribuables aux eaux de ruissellement de toitures. La majeure partie de la pollution métallique est attribuable à la corrosion des matériaux de toiture. La contribution relative des différents types d'eaux de ruissellement varie fortement d'une zone urbaine à une autre en fonction des matériaux traditionnellement utilisés dans le bâtiment pour la couverture des toits (tableau 6). [Mottier ;1994] [LHRSP ; 1994]


Polluants Teneur en µg/L / 1

Cadmium 0,3 à 4,5

Plomb 76 à 2458

Cuivre 14 à 200

Zinc 582 à 12357


Tableau 6 : ordre de grandeur de la teneur en métaux dans les eaux de ruissellement de toitures. [Mottier ;1994] [LHRSP ; 1994] [Saget ; 1994].



On note des concentrations très fortes en plomb et en zinc, deux matériaux trés utilisés pour la couverture des toits.


En effet, comme on peut le constater dans l'exemple de la figure 6, la concentration en zinc dans l'eau de ruissellement d'une toiture en zinc est 100 à 1000 fois supérieure à celle mesurée pour des toitures moins polluantes couvertes avec des tuiles ou du feutre bitumé.


Les plaques de zinc utilisées actuellement pour la couverture sont constituées de zinc allié à un faible pourcentage de cuivre et de titane (0,1 à 0,5 %). Les impuretés présentes dans ces plaques sont principalement du cadmium, du plomb et du fer. Sous des conditions atmosphériques normales, le zinc se couvre d'une patine de carbonates basiques insolubles qui le protège de la corrosion. Dans le cas des atmosphères urbaines, le dioxyde de soufre atmosphérique réagit avec la patine pour former des sulfates et des sulfites qui se dissolvent dans 1'eau de pluie. Le zinc est également utilisé sur les toitures en tuiles et en ardoise, dans la réalisation des chenaux et des gouttières etc... [Mottier ;1994]


La forte teneur en plomb s'explique quant à elle par l'usage de celui-ci pour la réalisation de travaux d'étanchéité, faîtage, chatière, chenaux...De plus, de fortes concentrations en plomb ont été mesurées à la sortie des gouttières en PVC (jusqu'à 350 mg / 1). Ce relargage largage de plomb provient apparemment de l'utilisation de sels de plomb comme stabilisant du PVC. [Mottier ; 1994]




Figure 6: Variation des concentrations en Zinc en fonction de la nature du revêtement [Mottier ;1994].




Hydrocarbures


On récupère dans les eaux de ruissellement de toiture de 223 à 2054 µg /1 d'hydrocarbures totaux. [Mottier ;1994] [Saget ; 1994].




2- Répartition de la pollution entre la phase solide et la phase dissoute.


polluants pourcentages

cadmium 17 à 100

cuivre 50 à 51

plomb 54 à 90

zinc 11 à 48

Hg 58 à 94


Tableau 7: Polluants sous forme particulaire en pourcentage de polluant total. D'après [Mottier ;1994] [LHRSP ; 1994] (Saget ; 1994].


A la vue de ces chiffres, il apparaît que :


· Le plomb est majoritairement sous forme particulaire.

· Le zinc est majoritairement sous forme dissoute.

· Le cuivre se répartit équitablement entre les deux phases.

· Le cadmium donne des résultats très variables selon les sites et les pluies.

· Les hydrocarbures sont principalement sous forme particulaire.


On peut ajouter aussi que ces remarques sont tout de même approximatives (à part pour le cuivre). En effet, on constate d'après ces chiffes, que la répartition de la pollution des eaux de ruissellement entre la phase dissoute et la phase particulaire fluctue dans une large gamme d'un événement pluvieux à l'autre. Ceci permet d'affirmer que la proportion de polluants sous forme dissoute est donc loin d'être négligeable dans le cas des ruissellements de toiture.


Ceci peut donc donner malgré tout, comme le montre le tableau 8, des teneurs très importantes en métaux et en hydrocarbures dans les particules.


Polluants : Teneurs en mg / g

Cadmium : 0,004 à 0,073

Cuivre : 0,19 à 4,1

Plomb : 4,6 à 54,8

Zinc : 0,8 à 104,2

Hg: 4,5 à 78,4


Tableau 8: Ordre de grandeur des teneurs en métaux et en hydrocarbures des particules transportées par les eaux de ruissellement de toiture. [Mottier ;1994] [LHRSP ; 1994] [Saget ; 1994].


Mais cette répartition entre les deux phases est aussi régie par d'autres facteurs. Comme on peut le voir sur la figure 7 non seulement le pH intervient dans la répartition des polluants entre la phase dissoute et la phase particulaire mais aussi la nature du toit. [Mottier ;1994]





Figure 7 : Valeurs du rapport cadmium dissous / cadmium particulaire en fonction du pH et de la nature du toit. [Mottier ;1994]





Les figure 8 représente l'influence de la nature du revêtement sur la répartition "dissoute / particulaire" pour différents métaux et pour les hydrocarbures.




Figure 8 : ordre de grandeur du pourcentage de polluants liés aux particules pour différents types de toiture. [Mottier ;1994] [LHRSP ; 1994].



3- Caractéristiques des particules en suspension dans les eaux de ruissellement de toiture.


Les ruissellements de toitures ont une forte teneur en matière organique avec un rapport MVS / MES de l'ordre de 30 à 45 %. [Mottier ;1994] [Saget ; 1994].

Ces particules, comme nous l'avons vu précédemment, ont également des teneurs métalliques et des teneurs en hydrocarbures très élevées. Ces teneurs sont dues au rôle de complexant stable des métaux lourds et des hydrocarbures joués par la matière organique.



4- Variabilité de la concentration en polluants et évolution au cours de l'événement pluvieux.


On a cherché à relier les concentrations des eaux de toitures aux caractéristiques de l'événement pluvieux ; celles-ci tendent à augmenter avec la durée de temps sec précédent l'événement. Il a été aussi observé une augmentation des concentrations avec l'intensité de la pluie. L'effet de l'intensité est plus marqué pour une toiture lisse (toit en tôle) que pour une toiture rugueuse (tuiles).

D'autres facteurs interviennent dans la variabilité des concentrations. Celle-ci dépend des concentrations de l'eau de pluie, du taux de retombées atmosphériques pendant la période de temps sec précédente, de la nature de la toiture et des conditions locales (oiseaux, végétation, mousses... ). [Mottier ;1994]


Concernant l'évolution des concentrations au cours de l'événement pluvieux, [Mottier ;1994J a montré : (voir figure 9)

· Une concentration maximale en début de pluie.

· Une décroissance rapide au cours du premier millimètre de ruissellement.

· Une concentration relativement constante par la suite.




Figure 9 : Pollutogramme de conductivité au niveau de trois toitures. [Mottier ;1994].




EAUX DE RUISSELLEMENT DE VOIRIE.


Le ruissellement des chaussées est caractérisé par de fortes concentrations en solides, en composés organiques, en métaux lourds et en hydrocarbures. Il subit, dans une plus large mesure que le ruissellement de toiture, la pollution liée à l'activité humaine et en particulier le trafic automobile.


1- Concentration des eaux de ruissellement de voirie pour les MES et les matières oxydables,les métaux,les hydrocarbures.


- Les matières en suspension et les matières oxydables


60 à 90 % des MES, MVS, DCO, DBOS introduits dans le réseau par les eaux de ruissellement proviendraient de la voirie. Le tableau 9 présente les intervalles de concentration des eaux de ruissellement de voirie. [Gromaire-Mertz ;1998J [Saget, 1994]


Polluants Concentration en mg / 1

MES 50 à 300

MVS 29 à 152

DCO 15 à 46

DBOS 28 à 83


Tableau 9: intervalles de concentration pour les MES et les matières oxydables dans le ruissellement de voirie. [Gromaire-Mertz ;1998] [Saget, 1994].


Les concentrations en plomb, cadmium, cuivre et zinc représentent de 10 à 20 % du flux total à l'entrée du réseau. Ces métaux sont issus en grande partie de la circulation automobile (tableau 10). [Gromaire-Mertz ;1998] [Saget, 1994] [LHRSP ; 1994].


polluants Concentration µg / 1

Cadmium 0 à 18

cuivre 13 à 175

plomb 19 à 535

zinc 64 à 1300


Tableau 10 : intervalles de concentration en métaux lourds dans le ruissellement de voirie. [Gromaire-Mertz ;1998] [Saget, 1994] [LHRSP ; 1994].


Hydrocarbures


Le taux d'hydrocarbures mesuré sur la voirie varie de 0,05 à 18 mg / 1. En comparant ce taux à celui relevé dans les ruissellements de toitures (0,2 à 2 mg / I) on peut s'étonner de constater qu'il ne soit que multiplié par 9. [Saget, 1994]


Ce résultat peut paraître surprenant et contraire à l'idée généralement répandue selon laquelle le lessivage de la voirie, du fait de la circulation automobile, serait la principale source d'hydrocarbures dans les eaux de ruissellement en zones urbaines. Les fortes concentrations en hydrocarbures mesurées pour les eaux de toitures sont en fait attribuables aux retombées atmosphériques mais aussi et surtout aux retombées des gaz d'échappement des véhicules circulant au pied des bâtiments. Ceci met donc l'accent sur la fraction d'hydrocarbures volatile visiblement non négligeable qui se dépose sur toutes les surfaces pendant les périodes de temps sec. Une étude réalisée en plein coeur de Paris a même montré des teneurs comparables en hydrocarbures totaux entre les ruissellements de toitures et les ruissellements de voirie [Gromaire-Mertz ;1998J. Il faut aussi noter que des nettoyages réguliers de la voirie enlèvent une petite partie des hydrocarbures présents sur la voirie ce qui contribue à réduire l'écart entre les taux observés dans les ruissellements de toiture et de voirie.


La variabilité des concentrations en polluants (organiques, métalliques et hydrocarbures) s'explique par l'hétérogénéité des sites de mesure. En effet, l'importance de la pollution des eaux de ruissellement de voirie varie en fonction de l'occupation du sol, de l'intensité de la circulation et de la fréquence des nettoyages de la voirie. La concentration en métaux dépend du taux de circulation et/ou de la proximité d'une zone industrielle. Pour les MES et les matières oxydables, le centre ville, de part son activité, entraîne une forte augmentation.



2- Répartition de la pollution entre la fraction dissoute et particulaire.


polluants pourcentages

cadmium 57 à 90

cuivre 51 à 67

plomb 85 à 97

zinc 40 à 52

Hg 84 à 91


Tableau 11 : Polluants sous forme particulaire en pourcentage de polluant total. D'après (LHRSP ; 1994] [Saget ; 1994].


A la vue du tableau 11 on constate que ces répartitions sont dans l'ensemble comparables à celles données pour les ruissellements de toiture (tableau 7). Par contre on se rend compte que par rapport au ruissellement de toiture la fluctuation des valeurs est moindre ce qui se répercute sur les ordres de grandeur des teneurs dans les particules. Ceci permet de conclure que sur 1 ensemble des événements pluvieux la pollution par les métaux et les hydrocarbures se répartie généralement dans la fraction particulaire.


polluants Teneurs en mg / g

cadmium 0,003 à 0,008

cuivre 0,01 à 0,093

plomb 1 à 2 7

zinc 1,8 à 5.9

Hg 2,7 à 41


Tableau 12: ordre de grandeur des teneurs en métaux et hydrocarbures des particules transportées par les eaux de ruissellement de voirie. [LHRSP ; 1994] [Saget ; 1994].


En comparant les teneurs particulaires des ruissellements de voirie (tableau 12) à celles des ruissellements de toiture on se rend compte pour le cuivre, le plomb et le zinc qu'elles sont largement inférieures.



3- Nature des particules en suspension.


Les particules transportées par les eaux de ruissellement de voirie sont peu organiques avec un MVS / MES de 25 à 35 %. La forte densité (de 2,5 à 2,7 kg / m3) confirme une nature minérale. La distribution granulométrique des particules pénétrant dans les avaloirs au cours est large (de lOµm à 4 mm) avec un diamètre médian variant de 200 à 400µm. [Saget ; 1994]. [Gromaire-Mertz ;1998]


Pour ce qui est de la teneur en métaux des particules, en les comparant aux sédiments de ruissellement de toitures on constate qu'ils sont inférieurs, principalement pour le plomb et le zinc ce qui confirme bien une forte participation des composants de toitures à la pollution des eaux de ruissellement.

IV-4- Evolution des concentrations au cours de l'événement pluvieux.




Figure 10: Pollutogrammes pour différents avaloirs et pour différentes pluies. [GromaireMertz ;1998].


Dans les cas des eaux de ruissellement de voirie (figure 10), les concentrations les plus élevées au cours d'un événement pluvieux sont mesurées en début d'événement pluvieux ou au moment d'un pic d'intensité de pluie. Ceci pourrait laisser penser que le plus gros de la pollution se trouve à l'entrée du réseau en début de pluie ou au moment d'un pic de débit ce qui signifierait la présence d'un premier flot. On désigne premier flot lorsque les premiers 30% du volume écoulé véhiculent au moins 80% de la masse de pollution.


Afin de vérifier l'existence ou non d'un tel phénomène de premier flot dans le cas du ruissellement de chaussée, il a été construit la courbe M(U) (figure 11) représentant la fraction de la masse polluante totale entraînée depuis le début de l'événement pluvieux en fonction de la fraction du volume total écoulé à l'entrée du réseau, au niveau d'un avaloir.





Figure 11 : Fuseau de répartition de la masse de pollution en fonction du volume écoulé pour les eaux de ruissellement de voirie au niveau de deux secteurs de Paris. [Gromaire - Mertz ; 1997].




D'après la figure 11 on constate en moyenne que, sur l'ensemble des événements étudiés, la charge de polluants est répartie de façon relativement uniforme sur l'ensemble du volume ruisselé. Cependant, cette répartition de la masse au cours de l'événement peut être assez variable d'une pluie à une autre, comme le montre l'ampleur du fuseau de courbes sur la figure 11.


Bien que les concentrations soient en général élevées en début d'événement pluvieux, comme le montre les pollutogrammes de la figure 10, le tracé des courbes M(V) permet de conclure en moyenne en l'absence de phénomène de premier flot quel que soit le polluant considéré (MES, MVS, DCO ou DBOS) et quelle que soit la phase considérée (dissoute ou particulaire). En effet Les premiers 30% du volume ruisselé véhiculent 37% (Clichy) et 43% (Marais) de la masse totale de polluants ce qui est largement inférieur à la définition donnée par le premier flot.


On constate donc que l'acquisition du paramètre de répartition de la masse de pollution au cours de l'événement pluvieux est capitale dans le cas du dimensionnement des ouvrages de retenues. En effet, dans le cas d'un premier flot, comme on à pu en observer dans bassin versant du Marais pour un nombre restreint d'événement pluvieux, il serait envisager de dimensionner des ouvrages dans le but de dériver, stocker et traiter les 10 premiers pour-cent du volume ruisselé au niveau d'un avaloir contenant 80% de la masse polluante et de rejeter le reste qui est peu pollué. Mais en moyenne, sur la plupart des événements pluvieux on peut constater que l'interception de 80% de la masse polluante nécessite de retenir 55 à 80% du volume arrivant à l'entrée du réseau ce qui n'est plus la même chose en terme de dimensionnement et de coût des ouvrages de retenues.



5 Vitesse de chute des particules en suspension.





Figure 12 : répartition des vitesses de chute des particules en suspension. [Chebbo ; 1992].


-8% de la masse des particules ont une vitesse de chute supérieure à 0,2 cm/s

-21% de la masse des particules ont une vitesse de chute entre 0,02 et 0,2 cm/s

-15% de la masse des particules ont une vitesse de chute entre 0,002 et 0,02 cm/s

-56% de la masse des particules ont une vitesse de chute inférieure à 0,002 cm/s


Ces résultats nous montrent que les particules transportées en suspension dans les eaux de ruissellement se caractérisent par des vitesses de chute faible voir très faibles : 56% des particules en suspension ont une vitesse inférieure à 0,002 cm/s.



De plus, l'importante variabilité des vitesses de sédimentation des particules en suspension (variation d'un facteur 10 dans les différentes gammes de vitesse) s'explique par la prise en compte de la variabilité de l'intensité de l'écoulement qui dépend de l'intensité et de la durée de l'événement pluvieux. [Chebbo ; 1992]


Rappelons que les particules en suspension ont des diamètres inférieurs à 60 µm et correspondent à la fraction de particules les plus polluées. Il faut noter que le taux de MVS dans les particules en suspension rencontrées influence en aucun cas la vitesse de décantation. Il ne paraît pas y avoir de différence de nature entre les particules les plus facilement décantables et celles qui sédimentent plus difficilement. Les différences de vitesse seraient donc essentiellement imputables aux différences de taille et de forme des particules.





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(*) extrait de:


MOUYON P. (2001) – Origines et caractéristiques de la pollution des eaux pluviales urbaines. Bilan de l'assainissement pluvial et perspectives. Mémoire D.E.S.S. « Qualité et Gestion de l'Eau », Faculté des Sciences – D.E.P., 73 p.



adaptation et mise en page:

jacques.beauchamp@u-picardie.fr