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Submitted on 23 Feb 2015
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Apport des retombées atmosphériques aux flux de polluants transportés par les eaux pluviales. Cas de 2
bassins versants urbains à Nantes (France)
Katerine Lamprea, Véronique Ruban
To cite this version:
Katerine Lamprea, Véronique Ruban. Apport des retombées atmosphériques aux flux de polluants transportés par les eaux pluviales. Cas de 2 bassins versants urbains à Nantes (France). 2010, Paris, France. 2010. �hal-01115293�
Apport des retombées atmosphériques aux flux de polluants transportés par les eaux pluviales.
Cas de 2 bassins versants urbains à Nantes (France)
Katerine. LAMPREA(1)*, Véronique. RUBAN(2).
(1)Ecole des Ponts ParisTech - Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbains (LEESU).
6-8 ave. Blaise Pascal, Cité Desacrtes, Champs sur Marne. 77455 Marna-La-Vallée Cedex, France.
(2)IFSTTAR – Département Géotechnique, Eau et Risques - Groupe Pollution des Eaux et des Sols.
Route de Bouaye CS4. 44341 Bouguenais Cedex, France.
*Auteur correspondant : Email : lampreak@leesu.enpc.fr. Tel : +33 (0) 1 64 15 36 36.
Résume
Deux bassins versants localisés à l'est de la ville de Nantes (France) et drainés par des réseaux d’assainissement séparatifs classiques ont été l'objet d'un suivi complet de micropolluants métalliques et organiques dans les retombées atmosphériques et les eaux pluviales urbaines. Les bassins versants du Pin Sec et des Gohards, font partie de l’Observatoire Nantais des Environnements Urbains (ONEVU) mis en place par l’Institut de Recherche en Sciences et Techniques de la Ville (IRSTV) afin d’étudier les interactions entre le milieu urbain et son environnement. Les résultats de cette étude montrent que les matières en suspension, le zinc, le cuivre et le glyphosate sont les substances polluantes principalement véhiculées par les eaux pluviales. Les retombées atmosphériques s’avèrent une importante source de chrome. En terme de pollution organique, on observe que les principales sources de pollution sont le trafic routier pour les HAP, et les pratiques de désherbage réalisées par la municipalité et les particuliers.
Resume
Duas bacias hidrograficas situadas a leste da cidade de Nantes (França) e drenadas por redes de esgoto separativos classicos foram objetos de um monitoramento completo de micro poluentes metalicos e orgânicos nos depositos atmosféricos e na agua das chuvas urbanos. As bacias do Pin Sec e dos Gohards fazem parte do observatório de ambientes urbanos de Nantes (ONEVU), estabelecido pelo Instituto de Pesquisa em Ciências e Técnicas Urbanas (IRSTV) a fim de estudar as interações entre a cidade e o meio ambiente.
Os resultados desse estudo mostram que as matérias em suspenção, o zinco, o cobre e o glifosfato são as substâncias poluentes vehiculadas principalmente pelas aguas pluviais. Os depositos atmosféricos são uma fonte importante de cromo. Em termos de poluição orgânica, as principais fontes de poluição observadas são o trafico rodoviario para os HAP e as praticas de eliminação de ervas realizados pelo serviço municipal e por particulares.
Mots clés : Eau de ruissellement, retombées atmosphériques, métaux, hydrocarbures, pesticides.
Palavras-chave: Escoamento superficial, depositos atmosféricos, metais, hidrocarburetos, pesticidas
Introduction
Au cours des 30 dernières années, de nombreuses recherches ont été conduites sur la caractérisation et la quantification des polluants transportés dans les eaux de ruissellement (Revitt & Ellis, 1980 ; Hoffman et al., 1984 ; Yaziz et al., 1989; Pitt et al., 1995 ; Barrett et al., 1998 ; Gromaire et al., 1999; Legret & Pagotto, 1999 ; Gromaire et al., 2001, Gerecke et al., 2002 ; Chang et al., 2004 ; Gaspéri, 2006, Bressy et al., 2011). Ces études ont mis en évidence que les eaux de ruissellement sont une des principales sources de pollution des cours d’eau à cause des fortes concentrations en polluants et de la diversité des substances polluantes qu’elles transportent. La pollution des eaux de ruissellement provient d’une part du
lessivage de l’atmosphère, et d’autre part du lessivage du sol et des surfaces imperméables (chaussées, toits, trottoirs et parkings) contaminées par la pollution atmosphérique et par la pollution liée aux activités humaines. Les sources d’émission de polluants dans l’atmosphère sont d’origine naturel ou anthropique. Parmi les sources anthropiques se trouvent le trafic automobile, les transports ferroviaire et aérien, les installations de combustion et de chauffage, les industries, les chantiers, les sites agricoles, et les usines d’incinération des déchets. Parmi les sources naturelles, on compte les volcans, les océans (aérosols marins des zones côtières), l’érosion des sols dans les régions sèches, les sols utilisés à des fins non- agricoles et les feux de forêt.
La réduction de la pollution générée par les eaux pluviales est une préoccupation forte des gestionnaires de l’eau afin de respecter un contexte réglementaire de plus en plus contraignant dans le domaine de l’environnement. Ainsi, la loi sur l’eau de 2006 et surtout la directive cadre sur l’eau 2000/60 visant le bon état écologique des milieux à l’horizon 2015, imposent des réductions drastiques des micropolluants dans les eaux de surface, souterraines et côtières.
Il est donc important d’identifier les sources de polluants dans les différents compartiments du milieu urbain, afin de pouvoir par la suite limiter, voire supprimer, les émissions.
Dans le but de contribuer à la connaissance de l’origine des micropolluants véhiculés par les rejets de temps de pluie issus de bassins versants séparatifs péri-urbains, à Nantes, un observatoire (UNEVU) a été mis en place dans le cadre d’un projet fédératif de recherche lancé par l’Institut de Recherche en Sciences et Technique de la Ville (IRSTV). Cet article présente les résultats obtenus lors d'un suivi de pollution conduit entre 2007 et 2008 dans les retombées atmosphériques et les eaux pluviales véhiculées par deux bassins versants de la ville de Nantes (France). L’identification des sources d’émission et la caractérisation des principaux polluants véhiculés dans les bassins versants d’étude sont également présentés.
2. Méthodologie 2.1. Site d’étude
Cette étude a été conduite sur deux bassins versants péri-urbains (Pin Sec et Gohards) localisés à l’est de la ville de Nantes, entre les rivières Erdre et Loire. Le bassin du Pin Sec et le bassin des Gohards sont drainés par des réseaux séparatifs classiques et présentent des caractéristiques spatiales et d’occupation des sols différents. Le bassin du Pin Sec a une superficie totale de 31 ha, dont 49% correspondent aux surfaces imperméables. Il est majoritairement résidentiel (2500 habitants) et présente une densité du trafic faible (1200 véh.j-1).
Le bassin des Gohards s’étale sur 178 ha dont, 38% correspondent aux surfaces imperméables. L’occupation du sol est assez variée (commerciale et résidentielle) et le trafic automobile peut varier entre 9300 et 44200 véh.j-1, selon l’axe routier considéré. La description détaillée des bassins versants peut être consulté dans les travaux de Lamprea, (2009).
2.2. Campagnes d'acquisition de données
Les campagnes de prélèvement ont été conduites afin de collecter des échantillons représentatifs tant pour les retombées atmosphériques que pour les eaux de ruissellement transportées à l’exutoire des réseaux des eaux pluviales. La collecte des retombées
atmosphériques totales (sèches et humides) a été réalisée en collaboration avec Air Pays de la Loire. Les campagnes se sont déroulées entre juillet et septembre 2007 et entre mai et décembre 2008. Le Tableau 1 présente le nombre total de jours de collecte, la pluie totale tombée (PT) lors de chaque campagne ainsi que la durée de temps sec maximale (DTSmax).
Tableau 1. Caractéristiques des périodes d’échantillonnage des retombées atmosphériques totales. Pluie totale tombée (PT), Durée de temps sec maximale (DTSmax).
Campagne Nombre de jours PT (mm) DTS max (j)
Juillet - août 2007 27 40 5,6
Août - septembre 2007 40 86 11,3
Mai - juin 2008 28 85 6
Juin - juillet 2008 30 24 7
Août - septembre 2008 43 91 13
Octobre - novembre 33 108 4,4
Novembre - décembre 20 50 4
La collecte des retombées atmosphériques a été effectuée en utilisant des entonnoirs reliés aux bidons de 10 L. Les matériaux des collecteurs ont été sélectionnés en fonction des paramètres à analyser (verre pour l’analyse des micropolluants organiques et polyéthylène pour l’analyse des métaux et des paramètres globaux). La surface de collecte des entonnoirs en verre et polyétylène était de 0.034 et 0.066 m2 respectivement.
À l’exutoire des collecteurs d’eaux pluviales, deux conditions météorologiques ont été étudiées : temps sec et temps de pluie. Par temps sec, six échantillonnages ponctuels ont été collectés dans le collecteur du bassin versant du Pin sec et quatre dans le bassin versant des Gohards. Les campagnes ont été conduites entre janvier - mars et juin - juillet 2008. Le prélèvement des eaux de ruissellement à l’exutoire du bassin versant du Pin Sec a été réalisé entre septembre 2007 et octobre 2008. Pour le bassin des Gohards l'échantillonnage s'est déroulé entre mars et octobre 2008. Au total 11 et 9 événements pluvieux ont été échantillonnés dans les bassins du Pin Sec et des Gohards respectivement. La collecte des échantillons a été effectuée à l’aide de préleveurs automatiques munis de 24 flacons en polyétylène de capacité de 1L. Les consignes de début et fin de prélèvement aux exutoires des eaux pluviales ont été déterminées à partir d’un seuil de hauteur d’eau. Le seuil de hauteur a été défini en fonction du niveau d’eau écoulée dans chaque collecteur en période de temps sec. Ainsi, nous avons fixé une hauteur de déclenchement pour le bassin du Pin Sec qui a varié entre 18 et 22 cm. Pour le bassin des Gohards le seuil de hauteur a varié entre 12 et 16 cm. Après déclenchement, les prélèvements ont été effectués proportionnellement au volume d’eau écoulée.
2.3. Analyses
Lors de cette étude, les échantillons d’eau ont été analysés en termes de paramètres globaux (pH, conductivité, matières en suspension (MES), carbone organique total (COT)), concentrations en éléments traces métalliques (Cd, Cu, Cr, Ni, Pb et Zn) et micropolluants organiques tels que les HAP et les pesticides (diuron, mécoprop, glyphosate et sa molécule de dégradation AMPA).
Afin de garantir la bonne conservation des échantillons et la qualité des analyses, le pH, la conductivité, les matières en suspension, la filtration et l'acidification de l'eau brute pour l'analyse des métaux ont été réalisées le jour même de réception des échantillons au laboratoire de chimie du Département Géotechnique, Eau et Risques de l’IFSTTAR. Les échantillons destinés à l'analyse des HAP ont été sous-traités immédiatement au laboratoire
IDAC « Institut Départemental d’Analyse et de Conseil » à Nantes. L'analyse des pesticides a été assurée par le laboratoire IANESCO-CHIMIE à Poitiers.
Les éléments traces métalliques ont été analysés sous forme dissoute et particulaire à partir de la filtration de l’eau brute sur une membrane Millipore de 0,45 μm. Un échantillon de 100 mL a été utilisé pour le dosage. Toute la verrerie utilisée lors des analyses a été rincée préalablement avec une solution d’acide nitrique (HNO3) à 10% et ensuite rincée à l’eau ultrapure trois fois. De plus, tous les produits chimiques utilisés étaient de qualité analytique reconnue Merck, Suprapur ou Pro Analysis.
Le dosage des métaux a été effectué en fonction des concentrations dans l’échantillon. Les techniques analytiques utilisées ont été :
– Spectrométrie d’absorption atomique en four graphite (SSA) pour le dosage du cadmium, du plomb, du nickel, du chrome et du cuivre selon la norme NF EN ISO 15586.
– Spectrométrie d’émission atomique à plasma induit (ICP-OES-Varian 720-ES) selon la norme NF EN ISO 11885.
– Spectrométrie de masse avec plasma à couplage inductif (ICP-MS-Varian 810/820-MS) (NF EN ISO 17294 (1 et 2).
Compte tenu de l’appareillage et des conditions expérimentales utilisés au laboratoire, les limites de quantification pour les différents métaux sont indiquées dans le Tableau 2.
Tableau 2. Limites de quantification des métaux (μg.L-1) pour les différents dispositifs analytiques utilisés.
Dispositif analytique Cd Cr Cu Ni Pb Zn
SAA four 0,1 0,5 2 1 1 -
ICP-OES 0,5 2 2 5 5 2
ICP-MS 0,02 0,02 0,02 0,05 0,2 0,3
Quinze parmi les 16 hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) répertoriés dans la liste de l’Agence pour la Protection de l’Environnement Américaine ont été dosés dans cette étude.
Naphtalène (N), acénaphtène (Ace), fluorène (F), phénanthrène (Ph), anthracène (An), fluoranthène (Flu), pyrène (Py), benzo(a)anthracène (B[a]An), chrysène (Chry), benzo(b)fluoranthène (B[b]Fl), benzo(k)fluoranthène (B[k]Fl), benzo(a)pyrène (B(a)Py), indéno(1,2,3-c,d)pyrène (I[1,2,3-cd]Py), benzo(g,h,i)-perylène (B[ghi]Pe) et dibenzo(a,h)anthracène (D(ah)An). Les HAP ont été dosés par chromatographie liquide à haute performance (HPLC) avec détection par fluorescence après extraction liquide-liquide à l’hexane (Norme NF EN ISO 17993 (T90-150)). La limite de quantification des HAP est de 0,002 µg.L-1, excepté pour N, F, Ph, An où elle est de 0,010 µg.L-1.
Concernant les pesticides, l’analyse du glyphosate et de l’AMPA est réalisée par HPLC avec détection fluorimétrique. Avant analyse, 25 mL de l’échantillon homogénéisé sont dérivés en utilisant le 9-fluorenyl méthyl chloroformate (FMO-Cl) à pH 9. Pour l’analyse du diuron, 250 mL d’échantillon sont extraits par extraction liquide-solide en utilisant une cartouche polymérique (Envichrom P). L’extrait est analysé par HPLC couplée à un spectromètre de masse tandem(GC/MS/MS) sur colonne C18 avec gradient de solvant eau / acétonitrile. Le dosage du mécoprop est réalisé par chromatographie en phase gazeuse couplée au GC/MS/MS sur colonne capillaire apolaire avec gradient de température du four. Pour l’analyse du mécoprop, 500 mL d’échantillon sont hydrolysés puis extraits sur cartouche polymérique (Oasis). L’extrait est dérivé à l’aide du réactif MTBSTFA (N-tert-
butyldiméthylsilyl-N-méthyltrifluoroacétamide). Les limites de quantification sont :
0,05 μg.L-1 pour le glyphosate et l’AMPA, 0,02 μg.L-1 pour le diuron et 0,02 μg.L-1 pour le mécoprop.
3. Résultats et discussion
3.1. Les retombées atmosphériques.
Lors des périodes de collecte, de faibles variations de pH sont observées, la gamme de pH est comprise entre 5,3 et 6,8 avec une médiane de 5,8. La conductivité varie fortement entre les campagnes. Ainsi, entre juillet et septembre 2007 la conductivité se trouve aux alentours de 100 μS.cm-1, tandis que pour les campagnes menées en 2008 les valeurs restent autour de 20 μS.cm-1. Cette différence de conductivité s’explique par de concentrations plus importantes en ions (NO-3, SO2-4 , Cl-) mesurés pendant la période de juillet à septembre 2007 (valeurs reportées en Lamprea, 2009). L’origine de ces ions est d’un part les émissions anthropiques et d’autre part les apports d’origine marine (notamment pour les ions Cl- et les ions SO2-4) (Celle-Jeanton et al., 2009). Les concentrations des matières en suspension (MES) et du carbone organique total (COT), varient respectivement entre < 2 et 35 mg.L-1 et 0,5 et 12,3 mg.L-1. Les plus fortes concentrations en MES et COT sont observées dans les échantillons collectés entre juin et juillet 2008. La croissance des activités biologiques pendant l’été explique cette différence.
Les concentrations en métaux sont très variables entre campagnes (Tableau 3). À l’exception du cadmium (détecté uniquement dans 60% des échantillons) les concentrations en métaux sont systématiquement supérieures aux limites de quantification. Le zinc est le métal majoritaire avec une abondance relative moyenne de 72 %. Ces résultats sont en accord avec la littérature (Golomb et al., 1997a; Alloway et al., 1999; Garnaud et al., 2001; Wong et al., 2003; Azimi et al., 2005). Pour les métaux restant, l’abondance relative est déterminée comme suit : Cu > Cr ≈ Ni> Pb > Cd. D’après les données relevées dans les études effectués avant les années 2000 (Golomb et al., 1997a, Azimi et al., 2005), l’abondance des métaux suivait l’ordre : Zn >>> Cu > Pb > Cr ≈ Ni > Cd. En effet, une différence dans l’abondance du plomb est observée entre les résultats obtenus dans cette étude et ceux rapportés dans la littérature. Cette différence peut être attribuée à la diminution des émissions de plomb dans l’environnement depuis l’année 2000, conséquence de l’utilisation de carburants sans plomb.
Tableau 3. Concentration en métaux dans les retombées atmosphériques.
Paramètre Cadmium Chrome Cuivre Nickel Plomb Zinc
Minium 0,02 0,04 0,87 0,05 0,28 1,0
Médiane 0,06 0,34 3,70 0,69 0,81 20,5 Maximum 0,38 12,0 16,6 14,0 3,50 83,0
Les concentrations des HAP et de pesticides ont été généralement faibles et dans certains cas proches ou inférieures aux limites de quantification analytiques. Les HAP ont été quantifiés principalement dans les échantillons collectés à fin de la période estivale et en hiver. Ainsi, pour les campagnes conduites en 2007 et entre mai - juin 2008 les concentrations en HAP ont été systématiquement au-dessous des limites de quantification. En juin-juillet 2008, uniquement l’acénaphtylène et le phénanthrène ont été détectés à des concentrations de 0,013 µg.L-1. Pour la campagne effectuée entre octobre et novembre 2008, le fluoranthène, le pyrène et le chysène ont été détectés à des concentrations de 0,014 ; 0,005 et 0,002 µg.L-1. Enfin, lors de la campagne conduite entre novembre et décembre 2008, les 15 HAP analysés ont été détectés. La concentration totale pour la somme des 15 HAP est égale à 1,1 µg.L-1.
L’augmentation de la concentration en HAP s’explique par plusieurs facteurs ayant lieu pendant les périodes froides:
- la mise en marche des chauffages (qui en sites urbains et lors des périodes hivernales apportent environ 85% des émissions d’HAP (Motelay-Massei et al., 2006)),
- l’augmentation de la consommation des combustibles lors du démarrage des voitures, - la stabilité des basses couches de l’atmosphère limitant les phénomènes de dispersion, - la dégradation moins importante des HAP (Air Pays de la Loire, 2008).
En ce qui concerne les pesticides, aucune molécule n’a été détectée pendant les campagnes conduites en période hivernal. En revanche, pour les campagnes menées en période estivale, le glyphosate et l’AMPA ont été détectés à des concentrations allant de 0,060 à 0,47 µg.L-1 et de 0,050 à 0,77 µg.L-1 respectivement. Bien que le glyphosate présente une faible volatilité, sa présence dans l’atmosphère est attribuée au transport par vaporisation de gouttes pendant les applications d’herbicides au sein des bassins versants ou aux alentours. Ainsi, sur notre secteur d’étude, les sources possibles d’introduction du glyphosate à l’atmosphère sont :
- les pratiques de désherbage par les particuliers,
- les traitements des surfaces imperméables par la municipalité,
- les apports externes issus du traitement des cultures situées autour de l’agglomération nantaise.
3.2. Les eaux pluviales
Caractéristiques des événements pluvieux
Les caractéristiques pluviométriques des événements pluvieux échantillonnés aux exutoires des bassins versants du Pin Sec et des Gohards sont récapitulées dans le Tableau 4.
Tableau 4. Caractéristiques des événements pluvieux échantillonnés aux exutoires des réseaux des bassins versants du Pin Sec et des Gohards.
Hauteurs d’eau
(mm) Imax à 5 min
(mm.h-1) Durée de pluie (h) Durée de temps sec (h)
Minimum 1,4 3,1 0,6 0,5
Médiane 6,8 6,5 2,8 29
Moyenne 7,1 8,9 3,4 64
Maximum 15 31 7,1 342
Au bassin versant des Gohards, 63 % des événements pluvieux échantillonnés sont de faible intensité (entre 3 et 6 mm.h-1), 56 % ont une hauteur d’eau allant de 1 à 5 mm. Des durées de temps sec inférieures à 24h sont observées pour 56% des événements. Au bassin versant du Pin Sec, 27% des événements ont une hauteur d’eau entre 1 et 5 mm, 36 % entre 5 et 10 mm et 36% entre 10 et 20 mm. L’intensité maximale à 5 minutes est modérée avec 36% des précipitations ayant des intensités entre 3 et 6 mm.h-1 et 36% entre et 6 et 10 mm.h-1. La durée de temps sec pour 54% des précipitations est inférieure à 24 heures. Les événements pluvieux échantillonnés pendant la durée de cette étude sont fréquents et représentatifs des précipitations nantaises.
Caractérisation des eaux de ruissellement
Le Tableau 5 présente les résultats d’analyse des paramètres globaux, des métaux, des HAP et des pesticides obtenus pour les campagnes menées par temps sec et par temps de pluie aux exutoires des réseaux d’eaux pluviales du Pin Sec et des Gohards.
Ces résultats mettent en avant des valeurs de pH autour de la neutralité. Pour les eaux pluviales, les valeurs fluctuent entre 6,4 et 7,2 avec des médianes de 6,6. Par temps sec, le pH est légèrement supérieur avec des valeurs médianes de 7,3 pour le bassin du Pin Sec et de 7,5 pour le bassin des Gohards. Les valeurs de conductivité se situent entre 92 et 250 μS.cm-1. En comparant avec les valeurs de conductivité mesurées dans les eaux s’écoulant par temps sec, la conductivité des eaux de ruissellement est de 3 à 4 fois plus faible. Cette différence s’explique par les teneurs en ions plus faibles apportées par les eaux de ruissellement, ainsi que par le phénomène de dilution provoqué lors des épisodes pluvieux.
Tableau 5. Valeurs médianes et extrêmes de pH, conductivité (µS·cm-1), MES (mg·L-1), métaux, HAP et pesticides (μg.L−1) des eaux pluviales échantillonnées par temps secs et par temps de pluie aux bassins
versants du Pin Sec et des Gohards (Nantes, France) (source Lamprea & Ruban, 2011) .
Pin Sec Gohards
Paramètre Temps sec Temps pluie Temps sec Temps pluie
pH 7,3
(6,6-7,7) 6,6
(6,4-7,0) 7,5
(7,3-8,0) 6,6
(6,5-7,2)
Conductivité 475
212-606) 145
(92-218) 533
395-596) 146
(98-250)
MES 13
(2-45) 69
(17-413) 6
(2-16) 75
(30-152)
Zn 41
(5,7-58) 146
(64-536) 52
(33-87) 209
(145-388)
Pb 9,0
(3,0-47) 21
(9,5-71) 4,3
(1,0-4,6) 14
(3,8-33)
Cu 7,5
(3,3-12) 31
(13-123) 4,6
(3,1-6,8) 24
(18-43)
Cr 4,6
(2,1-8,0) 7,5
(2,1-14) 4,9
(1,2-8,9) 6,3
(2,3-11)
Ni 6,4
(3,5-19) 5,0
(2,2-32) 7,9
2,0-11) 6,2
(3,0-9,8)
Cd 0,1
(0,1-0,8) 0,7
(0,1-3,9) 0,2
(0,1-0,3) 0,3
(0,1-0,6)
∑15 HAP 0,06
(0,01-0,14) 0,11
(0,04-0,27) <LQ
(<LQ-0,05) 0,86 (0,09-4,71)
Glyphosate 0,23
(<0,10-0,29) 3,27
(1,06-71) 0,58
(<0,10-0,70) 2,15 (<0,10-3,84)
AMPA 0,46
(<0,10-0,46) 0,35
(0,16-1,45) <0,10
(<0,10-0,45) 0,23 (<0,10-0,37)
Diuron 0,10
(0,10-0,16) 0,21
(0,10-0,73) 0,16
(<0,05-0,18) 0,10 (0,07-0,13)
Mecoprop <0,05 <0,05 <0,05 <0,05
Les concentrations en matières en suspension (MES) pour 90 % des précipitations échantillonnées dépassent la concentration maximale de 35 mg.L-1 imposée par la directive européenne (Directive, 91/271/EEC) pour les rejets des stations d’épuration des eaux urbaines résiduaires. Les concentrations médianes estimées à 69 mg.L-1 pour les bassins du Pin Sec et 75 mg.L-1 pour le bassin des Gohards restent supérieures à celles estimées par temps sec d’un facteur de 5 pour le bassin du Pin Sec et 13 pour le bassin des Gohards. Les concentrations en MES restent similaires entre les deux bassins versants (test de Wilcoxon avec α = 0, 05).
Par temps sec et par temps de pluie, nous observons une forte variabilité des concentrations en métaux dans les deux bassins versants (Tableau 5). Les concentrations médianes estimées
pour le Zn, le Pb, le Cu, le Cr, le Ni et le Cd sont respectivement de 146, 21, 31, 7,5 , 5,0 et 0,7 µg.L-1 pour le basin du Pin Sec et de 209, 14, 24, 6,3 , 6,2 et 0,3 µg.L-1 pour le bassin des Gohards. Malgré les fortes variations observées, les concentrations en métaux restent similaires entre bassins (test statistique de Wilcoxon avec α = 0, 05). Le zinc est l’élément majoritaire avec une abondance moyenne relative de 75%. Le plomb et le cuivre le suivent avec des abondances relatives de 8 et 10 % respectivement. Le nickel, le chrome et le cadmium sont les métaux les moins présents avec des abondances moyennes relatives estimées à 3, 3,7 et 0,3 % respectivement.
En comparant les concentrations en métaux obtenues par temps de pluie et par temps sec, nous observons que pour le Zn et le Cu, les concentrations dans les eaux pluviales sont environ 4 fois supérieures à celles mesurées par temps sec. Quant aux concentrations en Pb, elles restent 2 fois plus faibles par temps sec. Le chrome, le cadmium et le nickel demeurent du même ordre de grandeur entre les deux périodes.
Des études conduites sur les eaux pluviales urbaines ont répertorié comme principales sources de Zn, Cu, Pb et Cd : la corrosion et l’abrasion des toitures (Forster, 1999 ; Gromaire et al., 2001) et le trafic routier qui relargue ces éléments lors de l’abrasion des pneumatiques et des garnitures de freins, des émissions de gaz d’échappement, de la corrosion de la carrosserie et autres pièces métalliques (Legret & Pagotto, 1999).
En ce qui concerne les micro-polluants organiques, lors de cette étude nous avons observé de faibles concentrations en HAP et pesticides (Tableau 5). A la différence du phénomène saisonnier observé dans les retombées atmosphériques, dans les eaux pluviales les HAP ont été détectés tant en période estivale qu’en période hivernale. Ce fait peut être expliqué par les émissions de HAP liés au trafic automobile tout au long de l’année.
Par temps sec, la concentration médiane pour la somme des 15 HAP analysés est inférieure aux limites de quantification pour le bassin versant des Gohards, pour le bassin versant du Pin Sec la concentration médiane est estimée à 0,06 µg.L-1. Dans les eaux pluviales, les concentrations sont nettement plus importantes, ainsi la gamme des concentrations pour la somme des 15 HAP varie entre 0,09 et 4,7 µg.L-1 pour le bassin des Gohards et entre 0,04 et 0,27 µg.L-1 pour le bassin du Pin Sec. Pour ce dernier, les concentrations médianes en HAP sont de 4 à 15 fois plus faibles. Cette différence s’explique par la circulation automobile plus dense du bassin versant des Gohards. Rappelons que le bassin versant du Pin Sec est majoritairement résidentiel avec une circulation automobile de 1 200 véh.j-1 en moyenne. En revanche, le bassin des Gohards est découpé par des axes routiers à densité de trafic moyenne (9 300 véh.j-1) et élevée (44 200 véh.j-1).
L’abondance relative des HAP est présentée sur la Figure 1. Le fluoranthène et le pyrène sont les HAP majoritaires avec des pourcentages de distribution de 24 et 20 pour le bassin du Pin Sec et de 16 et 17 pour le bassin des Gohards. La présence majoritaire de ces deux HAP indique une origine pyrolytique provenant principalement de la combustion incomplète des carburants (diesel et essence) (Dorr et al., 1996; Yang et al., 1998; Gasperi, 2006). Egalement, une origine pétrogénique a été mise en évidence à partir des ratios I[1,2,3-c,d)]Py/B[a]Py et B[a]An/Chry dont les valeurs ont été inférieures à 1 (pour les bassins du Pin Sec et des Gohards les valeurs sont respectivement de 0,7 et 0,7 pour le ratio I[1,2,3-c,d)]Py/B[a]Py et de 0,9 et 0,7 pour le ratio B[a]An/Chry). Les sources pétrogéniques possibles sont les huiles de moteur et les graisses (Gasperi, 2006).
Concernant les pesticides, dans le collecteur d’eaux pluviales du bassin versant des Gohards les concentrations en AMPA et diuron restent proches des limites de quantification, et similaires à celles mesurées dans les eaux transitant par temps sec. En revanche, les concentrations en glyphosate des eaux pluviales atteignent des teneurs jusqu’à 3 fois plus importantes que celles mesurées en temps sec. Le mécoprop n’a été détecté ni par temps sec ni par temps de pluie.
Figure 1. Abondance relative des HAP dans les eaux pluviales du bassin du Pin Sec (à gauche) et du bassin des Gohards (à droite).
Dans le collecteur des eaux pluviales du bassin versant du Pin Sec, 80% des événements pluvieux étudiés présentent des concentrations en diuron et AMPA similaires à celles mesurées dans les eaux s’écoulant par temps sec. En revanche, le glyphosate a été détecté systématiquement au dessus des concentrations mesurées par temps sec. La concentration médiane en glyphosate est estimée à 3,27 μg.L−1. La présence ponctuelle de glyphosate, diuron et AMPA dans les eaux pluviales s’explique par l’utilisation des herbicides sur les surfaces imperméables et les espaces verts par des résidents et le service municipal. En France, le glyphosate et le diuron sont classés parmi les herbicides les plus utilisés (Blanchoud et al., 2004) ; toutefois, le diuron est interdit depuis 2009.
3.3. Flux annuel de substances polluantes
Les flux annuels de métaux ont été estimés afin d’évaluer l’apport des retombées atmosphériques à la pollution véhiculée par les eaux pluviales s’écoulant aux exutoires des réseaux des deux bassins versants : Pin Sec et Gohards. Pour les micropolluants organiques, ce calcul n’a pas été effectué en raison des faibles concentrations mesurées.
Le flux annuel a été calculé en prenant en compte les résultats obtenus pour les campagnes conduites uniquement en 2008, les pluies tombées en 2008 et l’absence de corrélation observée entre les caractéristiques pluviométriques et la concentration en métaux (Lamprea, 2009). Pour les retombées atmosphériques, nous avons calculé les masses en métaux par unité de surface pour chacune des périodes d’échantillonnage. Les masses correspondant aux périodes d’échantillonnage manquantes ont été estimées en multipliant les volumes de pluie associée, avec l’une des valeurs de concentration des périodes connues choisie aléatoirement. Les masses des périodes mesurées ajoutées aux masses estimées aléatoirement nous ont conduit à une estimation du flux annuel.
Pour les eaux pluviales, chacune des précipitations de l’année 2008 (toutes les précipitations supérieures à 0,8 mm. Total 250 précipitations) a été multipliée par le coefficient d’écoulement expérimental de chaque bassin versant (0,25 pour le Pin Sec et 0,29 pour le
Gohards) et par une des valeurs de concentration obtenue lors des campagnes d’échantillonnages (valeur de concentration choisie aléatoirement). La somme de ces valeurs de masses a donné le flux total annuel.
Le calcul du flux annuel tant pour les retombées atmosphériques que pour les eaux pluviales a été répété mille fois afin de déterminer un flux annuel moyen et son intervalle de confiance (méthode bootstrap). Le Tableau 6 présente le flux annuel des polluants métalliques véhiculés par les retombées atmosphériques et les eaux pluviales pour l’année 2008.
Tableau 6. Valeurs médianes et quantiles 10 et 90 des flux annule de métaux (µg.m-2.an-1) Paramètre Retombées
atmosphériques
Bassin du Pin Sec Bassin des Gohards
Zn 29 055
(24 569 - 33 697) 39 801
(36 125-43 967) 50 201 (47 969-52 654)
Pb 912
(842 - 992) 5 765
(5 208 - 6 326) 3 930 (3 616 - 4 268)
Cu 3 278
(3 029 - 3 570) 7 892
(7 047 – 8 822) 6 733 (6 410 - 7 076)
Cr 3 245
(2 839 - 3 675) 1 463
(1 369 - 1 561) 1 463 (1 379-1 545)
Ni 602
(521 - 685) 1 585
(1 376 - 1 819) 1 406 (1 341- 1 471)
Cd 168
(144 - 192) 203
(174 - 232) 66
(61-72)
Les flux annuels estimés pour les eaux pluviales et les retombées atmosphériques mettent en évidence que ces derniers sont loin d’être négligeables. Ainsi, la contribution des retombées atmosphériques aux eaux pluviales générées par les bassins du Pin Sec et des Gohards est respectivement de 73 et 58 % pour le Zn, 83 et 100 % pour le Cd, 42 et 48 % pour le Cu, 38 et 43 % pour le Ni et 16 et 23 % pour le Pb. Pour le chrome, nous constatons que le flux annuel déterminé pour les retombées atmosphériques est 2 fois supérieur à celui estimé aux exutoires.
Ces résultats montrent que le taux de transfert du chrome de l’atmosphère à l’exutoire n’est pas effectif. En effet, sa présence majoritaire dans la phase particulaire peut favoriser la rétention et le stockage sur les surfaces imperméables et donc limiter le transfert jusqu’à l’exutoire.
La comparaison entre les flux annuels de métaux estimés pour les eaux pluviales générées par les deux bassins versants ici étudiés montre qu’à l’exception du Cd, les flux de métaux restent du même ordre de grandeur. Le flux annuel de cadmium au bassin du Pin Sec est supérieur d’un facteur 3. Cette différence peut être due au fait que cet élément est détecté fréquemment à des concentrations très faibles et proches de la limite de quantification.
Conclusions
Le suivi de la qualité des retombées atmosphériques et des eaux pluviales transportées par les collecteurs des réseaux séparatifs localisés à l’est de l’agglomération nantaise, a montré que les matières en suspension, les métaux (zinc et cuivre) et le glyphosate sont les principaux polluants véhiculés dans ces bassin. Dans les retombées atmosphériques, mis à part le plomb, pour lequel une diminution des émissions a été constatée suite à l’interdiction de l’essence plombée depuis le 1er janvier 2000, l’abondance relative en métaux estimée dans cette étude est similaire à celle rapportée par d’autres études menées en zones urbaines. Les HAP et pesticides ont été rarement détectés. Les HAP ont été détectés seulement en périodes
hivernales, le chauffage résidentiel et collectif s’en avère la principale source. Pour les pesticides, seuls le glyphosate et l’AMPA ont été détectés pendant les campagnes conduites en périodes estivales. La présence de ces molécules dans les retombées atmosphériques reste à vérifier. Cependant, la volatilisation ou la dispersion des herbicides à base de glyphosate lors de leur épandage sur des cultures viticoles, maraîchères et horticoles proches de Nantes, ou lors du traitement des surfaces imperméables sur la zone d’étude sont des hypothèses qui peuvent être considérées.
Dans les eaux pluviales, l’abondance relative des métaux a été déterminée comme suit : Zn > > Cu > Pb > Cr ≈ Ni > Cd. Les concentrations en HAP s’avèrent supérieures dans les
eaux pluviales générées dans les zones à forte densité de circulation automobile. Lors de cette étude, les eaux pluviales collectées au bassin versant des Gohards, présentent des concentrations médianes en HAP 4 à 15 fois supérieures à celles mesurées dans le bassin du Pin Sec. Le fluoranthène et le pyrène sont les HAP majoritaires. Le trafic automobile s’avère la principale source des HAP. Malgré la réduction de la consommation de pesticides sur la métropole nantaise (84% de réduction depuis 2004 (www.nantesmetropole.fr)), les concentrations en pesticides plus particulièrement en glyphosate ont été généralement supérieures par temps de pluie que par temps sec. L’utilisation des produits à base de glyphosate pour le désherbage des surfaces imperméables est la principale source de pesticides dans le secteur d’étude.
La contribution des retombées atmosphériques aux eaux pluviales générées par les bassins du Pin Sec et des Gohards est respectivement de 73 et 58 % pour le Zn, 83 et 100 % pour le Cd, 42 et 48 % pour le Cu, 38 et 43 % pour le Ni, 16 et 23 % pour le Pb et 100 % pour le Cr.
Références
Air Pays de la Loire. 2008. La mesure des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans les Pays de la Loire. Bilan de l’année 2008. Rapport technique, Nantes.
Alloway B.J., Zhang P., Mott C. J.B., Nicholson F., Chamber B., Smith S. and Carlton- Smith C. 1999. Atmospheric deposition of the heavy metals onto agricultural land in England and Wales. In Proc. 5th Intern. Conf. On the bieogeocem. Of trace elements. 414-415p.
Azimi S., Rocher V., Garnaud S., Varrault G. and Thevenot. D. 2005. Decrease of atmospheric deposition of heavy metals in an urban area from 1994 to 2002 (Paris, France).
Chemosphere, 61 : 645-651.
Barrett M. E., Jr. Irish L B., Jr. Malina J F. and Charbeneau R J. 1998. Characterization of highway runoff in Austin, Texas, area. Journal of Environmental Engineering. 124 : 131-137.
Blanchoud H., Farrugia F. and Mouchel J.M. 2004. Pesticides uses and transfers in urbanised catchments. Chemosphere, 55 :905-913.
Bressy A., Gromaire M.C., Lorgeoux C. and Chebbo G. 2011. Alkylphenols in atmospheric depositions and urban runoff. Water Science and Technology, 63(4) : 671-679.
Celle-Jeanton H., Travi, Y. and Loÿe-Pilot, M.D. 2009. Rainwater chemistry at a Mediterranean inland (Avignon, France): Local contribution versus long range supply, Atmospheric. Research. 91: 118-126.
Chang M., McBroom M.W. and Beasley R.S. 2004. Roofing as a source of non point water pollution. Journal of Environmental Management. 73 : 307-315.
Directive 2000/60/EC of the European Parliament and of the Council establishing a framework for the Community action in the field of water policy. O.J. L 327of 23 October 2000, p 72.
Directive 91/271/EEC of 21 May 1991 concerning urban waste water treatment. O.J. L 135 of 30 May 1991, p. 40.
Dorr G., Hippelein M., Kaupp H. and Hutzinger. O. 1996. Baseline contamination assessment for a new resource facility in Germany : Part VI : Levels and profiles of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in ambient air. Chemosphere, 33 :1569-1578.
Förster J. 1999. Variability of roof runoff quality. Water Science of Technology, 39 :137-144.
Garnaud S Mouchel J. Chebbo G. and Thévenot, D. 2001. Caractérisation des retombées atmosphériques de métaux traces en milieu urbain. Techniques Sciences Méthodes, 5 :30-39.
Gasperi J., 2006. Introduction and transfer of hydrocarbons on different spatial scales within the parisian combined sewer. Thesis (PhD). Ecole National des Ponts et Chaussees, Paris, France. 268p.
Gerecke A Schärer M. Singer H. P. Müller S. R. Schwarzenbach R. P. Sägesser M.
Ochsenbein U. and Popow. G. 2002. Sources of pesticides in surface water in Switzerland : pesticide load through waste water treatment plants-current situation and reduction potencial.
Chemosphere ,48 :307-315.
Golomb D. Ryan D. Eby N. Underhill J. Wade T. and Zeba. S. 1997. Atmospheric deposition of toxics onto Massachusetts bay-I. Metals. Atmospheric Environment, 31 :1349-1359.
Gromaire-Mertz M.C., Garnaud. S. Gonzalez A. and Chebbo G. 1999. Characterization of urban runoff pollution in Paris. Water Science and Technology. 39(2): 1-8.
Gromaire M.C., Garnaud S., Saad M., and Chebbo G. 2001. Contribution of different sources to the pollution of wet weather flow in combined sewers. Water. Research. 35(2): 521-533.
Hoffman, E.J., Mills, G.L., Latimer, J.S. and Quinn, J.G., 1984. Urban runoff as a source of polycyclic aromatic hydrocarbons to coastal waters. Environmental Science and Technology., 18 (8) : 580-587.
Lamprea, K., 2009. Characterization and origin of trace metals, polycyclic aromatic hydrocarbons and pesticides transported by atmospheric deposition and storm water runoff in suburban separative catchments. Thesis (PhD). Ecole Centrale de Nantes, France.244p.
Lamprea K. and Ruban V. 2011. Pollutant concentrations and fluxes in both stormwater and wastewater at the outlet of two urban watersheds in Nantes (France). Urban Water. 8 (4) : 19-231.
Legret M. and Pagotto C. 1999. Evaluation of pollutant loadings in the runoff water from a major rural highway. Science of the Total Environment. 235 : 143-150.
Loi sur l’Eau 2006. Loi n° 2006-1772 du 30 décembre 2006 sur l'eau et les milieux aquatiques. J.O. 303 du 31 décembre 2006.
Pitt R., Field R. Lalor M and Brown M. (1995). Urban storm water toxic pollutants:
assessment, sources, and treatability. Water Environment Research. 67 : 260-274.
Motelay-Massei A.,Ollivon D. Garban B. Tiphagne-Larcher K. Zimmerlin I. and Chevreuil M. (2006). PAHs in the bulk atmospheric deposition of the Seine river basin: Source identification and apportionment by ratios. multivariate statistical techniques and scanning electron microscopy. Chemosphere , 67(2) : 312-321.
Revitt D.M. and Ellis J.B., 1980. Rain water leachates of heavy metals in road surface sediments. Water. Research. 14 : 1403-1407.
Wong C. S. C. Li X. D. Zhang G. Qi, S. H. and Pen. X. Z. 2003. Atmospheric deposition of heavy metals in the Pearl River Delta, China. Atmospheric Environment, 37 :767-776.
Yang H. H., Lee W. J., Chen S.J. and Lai S.O. 1998. PAH emission from various industrial stacks. Journal of Hazardous Materials, 60 :159-174.
Yaziz M I., Gunting H. Sapari N. and Ghazali W.A. 1989. Variations in rainwater quality from roof catchments. Water. Research. 23(6) : 761-765.
