Evaluation de la qualité des eaux pluviales

5.1.1. Suivi ponctuel de la qualité des eaux pluviales: campagnes de prélèvement en temps de pluie

5.1.1.1. Déclenchement des préleveurs

Les préleveurs automatiques sont déclenchés seulement en cas d’évènement pluvieux. Les 3 préleveurs sont asservis à la hauteur d’eau de la mare. Une augmentation du niveau d’eau dans la mare signifie qu’il y a un évènement pluvieux. L’automate situé dans l’armoire centrale est réglé pour déclencher les préleveurs s’il détecte une variation de hauteur d’eau suffisante dans la mare. C’est l’ultrason dans la mare relié à l’automate qui délivre cette information. La variation de hauteur d’eau nécessaire pour déclencher les préleveurs est à l’appréciation de l’opérateur, et est modifiée à chaque campagne de prélèvement. Elle est déterminée selon le niveau d’eau initial dans la mare et l’importance de l’évènement pluvieux à venir.

5.1.1.2. Programmes d’échantillonnage

Les programmes d’échantillonnage des 3 préleveurs sont asservis au temps. Bien qu’il ait été démontré que l’asservissement au volume écoulé avec prise de volume fixe est la méthode la plus performante (Agence de l’Eau Rhône Méditerranée Corse and INSA de Lyon, 2010), ce n’était pas possible de la mettre en place sur notre système. En effet, les préleveurs automatiques sont équipés d’une pompe à membrane avec bol en verre, ce qui ne permet pas d’asservir les prélèvements au débit. Dans notre cas, dès que le début de l’évènement pluvieux est détecté, l’asservissement au temps est enclenché, avec le prélèvement d’un volume donné pendant un intervalle donné. Lors de la reconstruction de la chronique de débit au niveau du point de prélèvement, nous nous intéressons au volume écoulé au point de prélèvement durant la durée de remplissage de la bouteille. Un échantillon évènementiel moyen est ensuite reconstitué, pour lequel le volume prélevé dans chaque bouteille est proportionnel au volume écoulé au point de prélèvement, tel qu’expliqué ci-dessous.

Méthodologie de reconstitution de l’échantillon évènementiel moyen (Schmitt, 2014)

Soit : 𝑉𝑚𝑖 le volume qui passe au point de prélèvement durant la durée Δt de remplissage

de la bouteille i : 𝑉𝑚𝑖 = 𝑄𝑖× ∆𝑡

𝑉𝑚𝑡𝑜𝑡 le volume total qui passe au point de prélèvement durant le prélèvement de

toutes les bouteilles: 𝑉𝑚𝑡𝑜𝑡 = ∑ 𝑉𝑚𝑖

𝑛 𝑖=1

𝑉𝑏𝑖 le volume prélevé dans la bouteille pendant Δt

𝑉𝑏𝑡𝑜𝑡 le volume total prélevé 𝑉𝑏𝑡𝑜𝑡 = ∑ 𝑉𝑏𝑖

𝑛 𝑖=1

On définit le volume de l’échantillon composite tel que :

avec : 𝛼𝑖 = 𝑉_𝑚𝑖 𝑉_{𝑚𝑡𝑜𝑡}

Une version évolutive de ce calcul consiste à considérer 100% du volume de la bouteille i correspondant à la valeur maximale de α. Le volume 𝑉𝑏𝑖 de la i

ème

bouteille contribuant ainsi à l’échantillon composite selon le ratio 𝛼𝑖/𝛼𝑚𝑎𝑥 (Figure 51). Si toutes les bouteilles sont pleines au moment de la collecte des échantillons, cela signifie que l’évènement pluvieux a duré plus longtemps que le prélèvement. On définit alors :

𝐴 = 𝑉𝑚𝑡𝑜𝑡

𝑉_{𝑚 é𝑣. 𝑝𝑙𝑢𝑣𝑖𝑒𝑢𝑥} ÉQUATION 5.1-2

Si A est supérieur à 90%, alors cela signifie que presque la totalité de l’évènement pluvieux a été échantillonnée et on garde alors les prélèvements, sous réserve que la pointe de débit ait eu lieu pendant la durée d’échantillonnage. Si A est inférieur à 90%, alors on ne garde pas l’échantillon. Si cela se produit trop souvent, alors il faut alors modifier le réglage du préleveur pour y remédier.

FIGURE 51: METHODOLOGIE DE RECONSTRUCTION DE L'ECHANTILLON EVENEMENTIEL MOYEN (SCHMITT, 2014)

Deux programmes d’échantillonnage ont été mis en place : le premier pour les points amont et intermédiaire et le second pour le point aval, les deux programmes se déclenchant en même temps. Les deux programmes ont été réalisés selon les temps de séjour estimés de l’eau dans la mare et le filtre, et des possibilités du préleveur.

t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 100% du volume de la bouteille Volume passé au point de prélèvement 65% du volume de la bouteille 54% du volume de la bouteille

Le premier programme prélève 200mL d’eau toutes les 3min pendant 6h. Cela permet de prélever pendant toute la période de déversement de la mare vers le filtre lors des évenements pluvieux courts et longs. Le second programme prélève 200ml toutes les heures pendant 5jours. Cela permet de prélever pendant l’ensemble du déversement de l’eau traitée du filtre vers le regard aval.

TABLE 35 : PROGRAMMES D'ECHANTILLONNAGE

Point de prélèvement Amont et intermédiaire Aval

Volume d’un échantillon 200 mL

Nombre d’échantillons par bouteille

5

Volume d’une bouteille 5 x 200 mL = 1 L

Nombre de bouteilles par point d’échantillonnage

24

Fréquence de prélèvement 3 min 60 min

Durée de remplissage d’une bouteille

3 min x 5 = 15 min 60 min x 5 = 5 h

Durée totale de prélèvement 6h 5 jours

5.1.2. Suivi ponctuel de la qualité des eaux pluviales : campagnes de prélèvement en temps sec

Afin d’évaluer les dynamiques de stockage des micropolluants dans la filière de traitement, une campagne de prélèvement en temps sec a été réalisée sur la filière de traitement. L’eau du système a été prélevée en 3 points de prélèvement : dans la mare, dans le filtre planté de roseaux et dans le regard aval en sortie du filtre.

Les prélèvements ont été réalisés à l’aide d’une canne de prélèvement suivant les recommandations d’AQUAREF pour les prélèvements en rivière (Botta et al., 2010).

5.1.3. Analyse de la matrice eau

Suite aux campagnes de prélèvement en temps de pluie ou en temps sec, les échantillons sont conditionnés (échantillons acidifiés pour les analyses des métaux dissous) dans un flaconnage adapté (verre pour les HAP, plastique pour les métaux) et envoyés pour analyse à un laboratoire prestataire certifié COFRAC.

Les analyses des paramètres globaux, des HAP et des métaux sont réalisées sur les échantillons en temps de pluie. Pour les échantillons en temps sec, les HAP et les métaux sont recherchés.

5.1.3.1. Analyse des paramètres globaux

Les matières en suspension (MES) sont déterminées par filtration sur filtre en fibres de verre (NF EN 872). À l'aide d'un équipement de filtration sous vide, l'échantillon est filtré sur un filtre en fibres de verre. Le filtre est ensuite séché à 105 ± 2 °C et la masse du résidu retenu sur le filtre est déterminée par pesée.

La teneur en matières volatiles en suspension (MVS) est déterminée de la même manière que pour les MES, avec une étape de calcination en plus (méthode adaptée de NF EN 872 et XP P 94-047).

Les nitrites et nitrates sont déterminés par analyse avec injection de flux (FIA) et détection spectrométrique (NF EN ISO 13395). L'échantillon est introduit à l'aide d'une valve d'injection dans une solution tampon à écoulement continu. Le nitrate contenu dans l'échantillon est réduit en nitrite par du cadmium métallique. Ensuite, une solution de réactif d'acide phosphorique est introduite. Le nitrite initialement présent et le nitrite résultant de la réduction du nitrate produisent une réaction de diazotation du sulfanilamide, en milieu acide, en un sel de diazonium, qui est ensuite transformé en un colorant rouge par couplage avec le dichlorure de N-(naphtyl-1) éthylènediamine. Le nitrite est déterminé, sans utilisation de la réduction au cadmium, directement par la diazotation et par la réaction de couplage citée ci-dessus. Le nitrate est donné par la différence (nitrite/nitrate- nitrite).

L'ammonium est dosé par spectrophotométrie au bleu d'indophénol (NF T 90-015-2). En milieu alcalin (10,4 < pH < 11,5), l’ammonium forme un composé de type indophénol par réaction avec du phénol et de l'hypochlorite, en présence de nitroprussiate comme catalyseur. La coloration obtenue est mesurée par spectrophotométrique, à une longueur d'onde voisine de 630 nm.

Les orthophosphates sont dosés par spectrométrie au molybdate d'ammonium (NF EN ISO 6878). Les ions orthophosphates réagissent avec une solution acide contenant des ions molybdate et de l’antimoine pour former un complexe d'antimonyl-phosphomolybdate. Ce complexe est ensuite réduit par de l'acide ascorbique pour former un complexe de bleu de molybdène de couleur vive. L'absorbance du complexe est mesurée pour déterminer la concentration en orthophosphates.

La demande chimique en oxygène (DCO) est déterminée par ébullition à reflux d'une prise d'essai de l'échantillon, en milieu acide, en présence d'une quantité connue de dichromate de potassium, de sulfate d'argent (jouant le rôle d'un catalyseur d'oxydation) et de sulfate de mercure (II) permettant de complexer les ions chlorures (NF EN 1899-1). L'excès de dichromate est déterminée avec une solution titrée de sulfate de fer (II) et d'ammonium en présence de la solution d'indicateur ou par un système de mesure potentiométrique. La DCO est calculée à partir de la quantité de dichromate de potassium réduite.

La demande biochimique en oxygène après 5 jours (DBO5) est déterminée par dilution et ensemencement avec apport d'allylthio-urée (NF EN 1899-1). L’échantillon d'eau à analyser est prétraité et dilué avec différentes quantités d'eau de dilution enrichie en oxygène dissous et contenant un ensemencement de micro-organismes aérobies, avec suppression de la nitrification. L’échantillon est ensuite incubé à 20 °C pour une durée fixée de 5 jours à l'obscurité, dans un flacon entièrement rempli et fermé. La concentration en oxygène dissous est déterminée avant et après incubation.

Le carbone organique total (COT) et le carbone organique dissous (COD) sont déterminés par oxydation du carbone organique présent dans l'eau en dioxyde de carbone par combustion (NF EN 1484). Le carbone inorganique est éliminé par acidification et dosé séparément. Le dioxyde de carbone formé par l'oxydation est dosé après réduction en méthane (CH4) par ionisation de flamme.

L’azote Kjeldahl (NTK) est déterminé par minéralisation de l’échantillon au sélénium pour former du sulfate d'ammonium, libération et distillation de l'ammoniac puis dosage par titrimétrie (NF EN 25663).

Le phosphore est dosé par spectroscopie d'émission optique avec plasma induit par haute fréquence (ICP-OES) (NF EN ISO 11885). Cette méthode consiste à mesurer l'émission de lumière par une technique de spectroscopie optique. Les échantillons sont nébulisés et l'aérosol ainsi produit est transporté dans une torche à plasma où se produit l'excitation. Les spectres d'émission caractéristiques sont produits par un plasma à couplage inductif par haute fréquence (ICP). Les spectres sont dispersés par un spectromètre à réseau et l'intensité des raies est évaluée par un détecteur. Les signaux du (des) détecteur(s) sont traités et contrôlés par un système informatique.

Les normes des méthodes d’analyses, les incertitudes et les limites de quantification (LQ) sont présentées dans l’Annexe 1.

5.1.3.2. Analyse des HAP dans l’eau

Les 16 hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont dosés dans l’échantillon par HPLC avec détection par fluorescence après extraction liquide-liquide (NF EN ISO 17993). Les HAP présents dans l'échantillon aqueux sont extraits de l'échantillon d'eau à l'aide d'hexane. L'extrait est concentré par évaporation, et le résidu est repris dans un solvant approprié pour l'analyse par HPLC. Les HAP sont séparés par HPLC à l'aide d'une phase stationnaire appropriée, en utilisant un gradient d'élution. L'identification et la quantification sont effectuées au moyen de la détection par fluorescence avec programmation de longueurs d'onde pour les longueurs d'onde d'excitation et d'émission.

La liste de 16 HAP recherchés, les normes des méthodes d’analyses, les incertitudes et les limites de quantification (LQ) sont présentées dans l’Annexe 1.

5.1.3.3. Analyse des éléments traces métalliques dans l’eau

Les métaux sont déterminés sur la fraction totale et la fraction dissoute de l’échantillon. Les métaux totaux sont dosés par spectrométrie de masse avec plasma à couplage inductif (ICP-MS) (NF EN ISO 17294-2). L’échantillon est introduit dans un plasma induit par haute où les processus de transfert de l'énergie engendrés par le plasma provoquent la désolvatation, la décomposition, l'atomisation et l'ionisation des métaux. L’extraction des ions du plasma est réalisée par une interface sous vide à pompage différentiel avec optique ionique intégrée et séparation sur la base de leur rapport masse/charge au moyen d'un spectromètre de masse. Les ions sont ensuite introduits dans l'unité de séparation des masses et détectés en utilisant un montage à multiplicateur d'électrons à dynode en continu, puis l'information ionique est traitée par un système de traitement des données. Enfin, la détermination quantitative des ions est réalisée après étalonnage avec des solutions d'étalonnage appropriées. La relation entre l'intensité du signal et la concentration en masse est généralement linéaire sur un intervalle étendu (habituellement supérieur à plusieurs ordres de grandeur). La méthode par ICP-MS permet d’obtenir des limites de quantifications plus basses qu’avec un ICP-OES.

Les métaux dissous sont dosés par spectroscopie d'émission optique avec plasma induit par haute fréquence (ICP-OES), après filtration à 0,45µm de l’échantillon (NF EN ISO 11885). Cette méthode consiste à mesurer l'émission de lumière par une technique de spectroscopie optique. Les échantillons sont nébulisés et l'aérosol ainsi produit est transporté dans une torche à plasma où se produit l'excitation. Les spectres d'émission caractéristiques sont produits par un plasma à couplage inductif par haute fréquence (ICP). Les spectres sont dispersés par un spectromètre à réseau et l'intensité des raies est évaluée par un détecteur. Les signaux du (des) détecteur(s) sont traités et contrôlés par un système informatique. Une correction appropriée du bruit de fond est utilisée pour compenser les variations des contributions du bruit de fond.

La liste des 7 métaux recherchés, les normes des méthodes d’analyses, les incertitudes et les limites de quantification (LQ) sont présentées dans l’Annexe 1.

5.2. Evaluation de l’impact des eaux pluviales sur le vivant à l’aide des