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Rôle des sédiments organiques sur le fonctionnement hydrodynamique des bassins d’infiltration d’eaux pluviales

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Academic year: 2021

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(1)N° Ordre : 2012-24 N° Série : D67. THESE / AGROCAMPUS OUEST Sous le label de l’Université Nantes Angers Le Mans pour obtenir le diplôme de : DOCTEUR DE L'INSTITUT SUPERIEUR DES SCIENCES AGRONOMIQUES, AGRO-ALIMENTAIRES, HORTICOLES ET DU PAYSAGE Spécialité : « Sciences de l’Environnement » Ecole Doctorale : « VENAM». présentée par : Anaïs COULON. Rôle des sédiments organiques sur le fonctionnement hydrodynamique des bassins d’infiltration d’eaux pluviales. soutenue le 29 novembre 2012 devant la commission d’Examen. Composition du jury : Président du jury : Christian WALTER, Professeur, Agrocampus Ouest Rennes Rapporteur : Yves COQUET, Professeur, Université d’Orléans Rapporteur : Cécile DELOLME, Ingénieur des TPE (HDR), ENTPE Examinateur : Béatrice BÉCHET, Chargée de recherche, IFSTTAR Co-encadrant : Patrice CANNAVO, Maître de Conférences, Agrocampus Ouest Angers Co-encadrant : Laure VIDAL-BEAUDET, Maître de Conférences, Agrocampus Ouest Angers Directeur de thèse : Sylvain CHARPENTIER, Professeur, Agrocampus Ouest Angers. UPSP EPHor – Agrocampus Ouest – 2, rue Le Nôtre, 49045 ANGERS Cedex 01.

(2) 2.

(3) REMERCIEMENTS Avant d’exposer les travaux qui ont conduit à la rédaction de ce mémoire, je tiens à remercier toutes les personnes qui ont participé de près ou de loin à l’accomplissement de ce travail. Les recherches réalisées dans le cadre de cette thèse ont été effectuées au sein de l’Unité Propre de Recherche EPHor (Environnement Physique de la plante Horticole), dans le laboratoire de Sciences du Sol d’Agrocampus Ouest – Centre d’Angers. Ce travail a été rendu possible grâce au soutien financier de la région Pays de la Loire, via le projet POLESUR, et du Ministère de l’Agriculture, de l’Agroalimentaire et de la Forêt.. Tout d’abord, je tiens à exprimer mes sincères remerciements à Yves Coquet, professeur à l’Université d’Orléans et Cécile Delolme, directrice de recherche à l’ENTPE, pour avoir accepté de juger en qualité de rapporteurs ce travail de thèse. Mes remerciements s’adressent également aux autres examinateurs, à savoir Béatrice Béchet, chargée de recherche à l’IFSTTAR et Christian Walter, professeur à Agrocampus Ouest, qui ont bien voulu faire partie de mon jury de thèse.. Je souhaite ensuite exprimer ma profonde reconnaissance à mes trois encadrants : Sylvain Charpentier (directeur de thèse), Patrice Cannavo et Laure Vidal-Beaudet. Je les remercie de m’avoir fait confiance tout au long de ces trois années, de m’avoir laissé une grande autonomie dans mon travail tout en surveillant régulièrement l’avancée des travaux et d’avoir toujours été disponible lorsque j’avais besoin d’aide. Merci à vous trois pour votre implication dans la relecture de ce mémoire et pour les nombreuses corrections ! J’espère avoir été à la hauteur de vos attentes ! Merci à Sylvain de m’avoir inculqué les bases de la modélisation. Je me souviendrai longtemps de la première chose que tu m’as apprise, à savoir que « la modélisation ce n’est pas difficile, juste compliqué » ! J’ai tout de suite été rassurée ! Merci pour les nombreuses heures passées sur Hydrus ! Merci à Patrice, pour ta disponibilité (désolée pour les nombreuses intrusions dans ton bureau !), ta patience, ta rigueur et de m’avoir secondée (et même plus) à certains moments. Merci à Laure, pour tes conseils, ton implication et ton aide précieuse lors de la dernière ligne droite (tu m’as fait gagner un temps précieux !) et aussi pour les pauses potins qui, avouons le, étaient bien agréables !. Je souhaite ensuite remercier Béatrice Béchet et Anne Jaffrezic, qui ont participé aux comités de suivi de thèse. J’ai apprécié leurs propositions d’idées, leurs conseils et leur aide pour faire des choix dans l’orientation de ce travail.. 3.

(4) J’en profite aussi pour remercier l’ensemble des membres du projet POLESUR qui, grâce aux nombreuses réunions, ont suivi régulièrement l’avancée de la thèse et ont contribué, par leurs remarques et suggestions pertinentes et constructives, à l’accomplissement de ce travail. De plus, je remercie chaleureusement Cécile Le Guern qui a été la première à penser à moi pour cette thèse, merci de m’avoir fait confiance et d’avoir soutenu ma candidature.. Je ne saurai oublier les membres de l’équipe de GER7 de l’IFSTTAR qui m’ont apporté leur aide scientifique et technique dans ce travail. Je remercie de nouveau Béatrice Béchet, qui a suivi mon travail depuis le début et qui m’a souvent conseillée et orientée lors de nos multiples discussions scientifiques. Un grand merci aussi à Alice Biczysko, ainsi qu’à Lionel Martinet, pour nous avoir facilité l’accès au bassin de Cheviré lors des prélèvements sur le terrain. Merci également à Dominique Demare d’avoir accepté d’analyser mes nombreux échantillons (un peu plus de 500 échantillons tout de même !), ainsi qu’à Nils Huguet. Enfin, merci à Amelène El-Mufleh, avec qui j’ai eu plaisir à collaborer sur la rédaction d’un article et pour les discussions non scientifiques !. Ensuite, je souhaite remercier les membres du personnel d’Agrocampus Ouest qui m’ont aidé dans ce travail. Je commence par les angevins, merci à : Valery Malécot pour l’identification des espèces végétales du bassin ; Ferreol Braud pour avoir mis à ma disposition pendant de longs mois une étuve pour mes incubations de sol ; Henri Carpentier, pour le prêt de matériels ; et, Michel Dubois, pour les nombreuses impressions, que ce soit les polycopiés pour l’enseignement ou la duplication de ce mémoire. Du côté rennais, je remercie Safya Menasseri et Anne Jaffrezic de m’avoir autorisé à réaliser les analyses de biomasse microbienne dans leur laboratoire. Je tiens à remercier tout particulièrement Armelle Racapé qui a pris le temps de me former à cette analyse. Naturellement, je remercie l’ensemble des membres de l’équipe EPHor et du département Génie Agronomique (la frontière entre les deux est mince !). J’ai été heureuse de partager avec vous tous les bons moments de la vie au labo, et plus particulièrement les pauses café qui nous ont permis d’avoir de belles discussions plus ou moins philosophiques, plus ou moins scientifiques, plus ou moins drôles, ainsi que de belles prises de tête sur les mots fléchés ! Tout cela me manquera terriblement ! Désolée, le café ne sera plus prêt à l’heure le midi ! Un immense merci à Yvette Barraud-Roussel, Sylviane Delepine-Bourgeois et Claudie Mazzega, pour votre aide au quotidien dans la réalisation des manips, la mise en place des expérimentations et votre ingéniosité dans le bricolage (quelle imagination débordante vous avez !). Que serais-je devenue sans votre aide ?!! Je serais sûrement encore en train de tamiser, ou de doser, ou de poser des gouttes d’eau, etc. Je vous suis également reconnaissante pour les longues discussions (essentiellement des potins !) qui m’ont souvent permis de décompresser. Votre présence au quotidien m’a été d’une grande. 4.

(5) aide et je ne saurais jamais assez vous remercier. Merci également à Christophe M. de m’avoir fait découvrir de délicieux macarons (qui n’ont rien à envier à ceux d’une certaine marque parisienne !) et autres pâtisseries, toutes meilleures les unes que les autres ; à Christophe D., toujours disponible pour mes questions de pédologie et de cartographie, et pour les longues discussions dans le train qui ont rendu les trajets plus agréables ; à Dominique, pour son aide technique dans le montage des colonnes (d’ailleurs, elles nous en ont fait voir de toutes les couleurs ces colonnes !) ; à Etienne, pour sa présence la dernière année qui a rendu mes pauses à l’extérieur moins solitaire ; à Christine, pour son aide au secrétariat ; à Jean-Charles, pour m’avoir donné la chance de m’impliquer dans les enseignements de géologie, c’était une expérience très enrichissante. Enfin, merci à tous les autres : Benjamin, Eric, Gérard, Guifang, Pierre-Emmanuel, Rousseau, Virginie et Yann.. Pour finir, un grand merci à mes proches qui ont partagé avec moi les bons et les mauvais (et oui, il y en a eu !) moments de ces trois années de labeur. Merci à mes parents, Francine et Jean-Marie, mon frère, Matthieu (le p’tiot), ma belle-famille et mes amis, Anaëlle, Audrey, Fred, Gaëtan, qui ont fait l’effort d’essayer de comprendre mon travail et qui se sont toujours souciés de son bon déroulement ! Votre soutien et vos encouragements ont été un réel réconfort pour moi. Enfin, ma dernière pensée va à celui qui partage ma vie et qui a vécu avec moi les moments de joie, de doute, de mauvaise humeur, etc. et tout ça malgré l’éloignement. Merci à Julien, pour son soutien inconditionnel, sans toi je n’aurais jamais eu le courage de me lancer dans une telle aventure, et merci simplement d’être présent à mes côtés !. 5.

(6) 6.

(7) SOMMAIRE Remerciements .................................................................................................................................. 3 Liste des figures ................................................................................................................................11 Liste des tableaux ............................................................................................................................ 17 Liste des abréviations...................................................................................................................... 19. INTRODUCTION GENERALE ...................................................................................................... 21 Contexte général.............................................................................................................................. 23 Contexte scientifique et orientation du travail ............................................................................. 26. CHAPITRE 1 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE ......................................................................... 29 1.1. Les sédiments des bassins d’infiltration d’eaux pluviales ................................................ 33 1.1.1. La texture et la structure des sédiments .................................................................... 33. 1.1.2. Les paramètres chimiques globaux des sédiments .................................................... 34. 1.1.3. La composition géochimique des sédiments ............................................................. 35. 1.1.4. Les polluants des sédiments ...................................................................................... 40. 1.1.5. L’évolution des sédiments en fonction de l’état hydrique des bassins d’infiltration. 44. 1.2 Les spécificités de la matière organique présente dans les sédiments des bassins d’infiltration .................................................................................................................................... 46 1.2.1. Généralités sur la matière organique dans les sols naturels ...................................... 46. 1.2.2. L’origine et la composition de la matière organique des sédiments .......................... 58. 1.2.3. La répartition de la matière organique dans les bassins ............................................ 59. 1.2.4. Le rôle de la matière organique sur la rétention des polluants .................................. 60. 1.2.5. Quel devenir pour la matière organique dans les sédiments ?................................... 61. 1.2.6 Quelle est l’influence de la matière organique sur le fonctionnement hydrique des bassins ? ........................................................................................................................ 68 1.3. 1.4. L’écoulement des eaux dans la zone non saturée des bassins d’infiltration.................... 69 1.3.1. L’espace poral, lieu de transfert ................................................................................ 69. 1.3.2. Les mouvements de l’eau dans un sol non saturé ..................................................... 71. 1.3.3. Les paramètres hydrodynamiques d’un sol non saturé ............................................. 73. 1.3.4. Mouillabilité / hydrophobicité................................................................................... 80. 1.3.5. La capacité d’infiltration et le colmatage des bassins ............................................... 83. Conclusion de l’étude bibliographique .............................................................................. 85. OBJECTIFS ET DEMARCHE DE LA THESE.................................................................................. 89 Objectifs ........................................................................................................................................... 91 Démarche générale de la thèse ....................................................................................................... 92. 7.

(8) CHAPITRE 2 METHODOLOGIE EXPERIMENTALE .................................................................. 95 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. Présentation du site expérimental ...................................................................................... 99 2.1.1. Le bassin de rétention-infiltration de Cheviré ........................................................... 99. 2.1.2. La stratégie d’échantillonnage ................................................................................ 101. 2.1.3. Les caractéristiques du sol originel du bassin de Cheviré ....................................... 103. 2.1.4. La localisation de la matière organique dans le bassin ........................................... 104. Les méthodes d’analyses et de caractérisation du sol du bassin d’infiltration de Cheviré ............................................................................................................................................. 105 2.2.1. Les paramètres physico-chimiques ......................................................................... 106. 2.2.2. Les propriétés hydriques ..........................................................................................110. 2.2.3. La caractérisation de la matière organique des sédiments .......................................114. Simulation expérimentale du fonctionnement du bassin de Cheviré en colonnes de sol ... ..............................................................................................................................................118 2.3.1. Etude de la pluviométrie nantaise ............................................................................119. 2.3.2. Présentation du dispositif expérimental .................................................................. 120. 2.3.3. Remplissage et saturation des colonnes .................................................................. 122. 2.3.4. Sollicitation des colonnes........................................................................................ 123. 2.3.5. Phase expérimentale et organisation des colonnes .................................................. 124. 2.3.6. Détermination des caractéristiques physiques des colonnes ................................... 126. 2.3.7. Les méthodes d’analyses et de caractérisation ........................................................ 126. Modélisation des écoulements en milieu non-saturé ....................................................... 129 2.4.1. Le code Hydrus 2D ................................................................................................. 130. 2.4.2. Les caractéristiques générales du code Hydrus-2D................................................. 130. Analyses statistiques .......................................................................................................... 132. CHAPITRE 3 CARACTERISATION DU SOL D’UN BASSIN D’INFILTRATION............................ 135 3.1. 3.2. Caractérisation physico-chimique du sol du bassin de Cheviré .................................... 137 3.1.1. Les paramètres chimiques globaux ......................................................................... 137. 3.1.2. Les propriétés physiques ......................................................................................... 140. 3.1.3. Les propriétés hydriques ......................................................................................... 145. Caractérisation de la matière organique.......................................................................... 155 3.2.1 La distribution de la matière organique et du carbone organique total dans les fractions granulométriques du sol ........................................................................................ 155. 3.3. 3.2.2. Le potentiel de dégradation du carbone organique ................................................. 159. 3.2.3. Les constituants biochimiques de la matière organique .......................................... 162. 3.2.4. La biomasse microbienne des sédiments ................................................................ 164. 3.2.5. Corrélation avec les teneurs en HAP des sédiments du bassin ............................... 167. Synthèse .............................................................................................................................. 169. 8.

(9) CHAPITRE 4 SIMULATION PLURIANNUELLE DU FONCTIONNEMENT HYDRODYNAMIQUE DU BASSIN A L’ECHELLE DE LA COLONNE DE SOL ....................................................................... 173 4.1. Rappels des conditions expérimentales ............................................................................ 175. 4.2. Formation et évolution de la couche de sédiments .......................................................... 175. 4.3. 4.4. 4.5. 4.2.1. Evolution de l’épaisseur de la couche de sédiments ............................................... 176. 4.2.2. Evaluation de la migration du carbone et de l’azote en profondeur ........................ 177. 4.2.3. Evolution de l’espace poral ..................................................................................... 178. Fonctionnement hydrodynamique des colonnes ............................................................. 186 4.3.1. Evolution temporelle de l’écoulement .................................................................... 186. 4.3.2. Evolution de la capacité d’infiltration des sédiments.............................................. 188. Modélisation des écoulements au sein de la colonne de sol ............................................ 190 4.4.1. Présentation des caractéristiques du modèle ........................................................... 190. 4.4.2. Caractérisation de l’écoulement dans la colonne .................................................... 193. Synthèse .............................................................................................................................. 197. CHAPITRE 5 FONCTIONNEMENT HYDRODYNAMIQUE A L’ECHELLE DU BASSIN D’INFILTRATION ................................................................................................................ 201 5.1. 5.2. 5.3. Modélisation des écoulements au sein du bassin d’infiltration de Cheviré .................. 203 5.1.1. Présentation des caractéristiques du modèle ........................................................... 203. 5.1.2. Validation du modèle............................................................................................... 209. Influence des caractéristiques du sol sur les hauteurs d’eau dans le bassin ..................211 5.2.1. Influence de la présence ou non de la couche de sédiments ................................... 212. 5.2.2. Influence du niveau de la nappe alluviale ............................................................... 212. 5.2.3. Influence de la conductivité hydraulique à saturation ............................................. 213. Simulation du vieillissement du bassin de Cheviré ......................................................... 214 5.3.1. Détermination de l’évolution des caractéristiques du sol........................................ 215. 5.3.2. Evolution de la capacité d’infiltration du bassin de Cheviré................................... 224. 5.4. Les limites du modèle......................................................................................................... 228. 5.5. Synthèse .............................................................................................................................. 229. CHAPITRE 6 SYNTHESE GENERALE ET PERSPECTIVES ....................................................... 231 6.1. Synthèse .............................................................................................................................. 233 6.1.1. Caractérisation et évolution temporelle de la couche de sédiments ........................ 233. 6.1.2 Influence de la couche de sédiments sur le fonctionnement hydrodynamique du bassin ...................................................................................................................... 235 6.2. Perspectives ........................................................................................................................ 237 6.2.1. Poursuivre la caractérisation des MO des sédiments de bassin............................... 237. 6.2.2. Améliorer la simulation des transferts à l’échelle du bassin ................................... 238. 9.

(10) RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ......................................................................................... 241 ANNEXES. ........................................................................................................................ 259. 10.

(11) LISTE DES FIGURES Figure 0.1 : Origine des principaux polluants rencontrés en domaine routier et urbain (Ruban et al., 2003)...................................................................................................................................................... 24 Figure 1.1 : Structures des 16 HAP retenus comme polluants majeurs par l’US-EPA (figure issue de Coelho et al. (2008), modifiée).............................................................................................................. 43 Figure 1.2 : Evolution de l’état d’agrégation des sédiments en fonction de l’utilisation des bassins d’infiltration (Badin, 2009) ................................................................................................................... 45 Figure 1.3 : Structure des précurseurs de la lignine : I - alcool-ρ-coumarylique; II - Alcool coniférylique ; III - Alcool sinapylique (Kögel-Knabner, 2002) ........................................................... 48 Figure 1.4 : Définition des humines, acides humiques et acides fulviques (Chabroullet, 2007)........... 50 Figure 1.5 : Fractionnement biochimique de la matière organique (Francou, 2003) ............................ 55 Figure 1.6 : Teneurs en matière organique le long d’un profil vertical en trois points du bassin d’infiltration de Chassieu : proche de l’arrivée des eaux (point 1), au centre (point 2) et à l’extrémité opposée (point 3) (Winiarski et al., 2006) ............................................................................................. 60 Figure 1.7 : Effet d’invertébrés (larves de chironomes et oligochètes tubificidés) sur la minéralisation de la matière organique (Nogaro, 2007) ................................................................................................ 65 Figure 1.8 : Relation entre la teneur en MO et la conductivité hydraulique à saturation mesurées dans le bassin de Cheviré (R²=0,76, P<0,1) (Cannavo et al., 2010) .............................................................. 68 Figure 1.9 : Tortuosité relative à l’écoulement de la phase liquide (Hillel, 1974) ................................ 70 Figure 1.10 : Formes d’eau retenue : eau adsorbée et eau capillaire (Hillel, 2003) .............................. 71 Figure 1.11 : Influence de la texture (a) et de la structure (b) sur la rétention de l’eau dans le sol (Hillel, 2003) ......................................................................................................................................... 73 Figure 1.12 : Courbes de rétention en eau pour les bassins de Django Reinhardt (a) et Cheviré (b) saturation effective (Se) vs charge hydraulique (h) (Lassabatere et al., 2010) ...................................... 74 Figure 1.13 : Dépendance de la conductivité hydraulique vis-à-vis du potentiel hydrique pour deux types de sols (Hillel, 2003) .................................................................................................................... 76 Figure 1.14 : Hystérèse de la courbe de rétention en eau (Naasz, 2005)............................................... 78 Figure 1.15 : Modèle de Young (1805) dans un système solide-liquide-vapeur .................................. 81 Figure 1.16 : Représentation schématique d’une molécule amphiphile et changements d’orientation de molécules amphiphiles sur une surface minérale, au contact de l’eau (Doerr et al., 2000)................... 83 Figure 1.17 : Capacité d’infiltration en fonction de l’épaisseur de la couche sédimentaire (a) ; Infiltrations cumulées dans le sable (sous-sol) (b) et dans les sédiments (c, d), d’après Lassabatere et al. (2006, 2007) ..................................................................................................................................... 84 Figure 1.18 : Démarche générale de la thèse ........................................................................................ 93 Figure 2.1 : Vue d’ensemble de la surface de drainage (pont de Cheviré) et du bassin. Image Google Earth modifiée ....................................................................................................................................... 99 Figure 2.2 : Vue d’ensemble du bassin de Cheviré. Image Google Earth modifiée (2012) ................ 100 Figure 2.3 : Evolution de la végétation dans le bassin de Cheviré : développement d’une végétation spontanée herbacée en 2001 (a) ; colonisation du bassin par les arbres et arbustes en 2012 (b)......... 101 Figure 2.4 : Topographie du bassin de Cheviré et localisation des points de prélèvements ................ 102 Figure 2.5 : Profils de sol à proximité de la surverse (point 8) (a) et au niveau de l’arrivée principale 11.

(12) des eaux dans le bassin (point 3) (b) ................................................................................................... 102 Figure 2.6 : Granulométrie des sables originels de Cheviré en 1993 (Legret et al., 1995) et en 2012 (a) ; Courbe de rétention en eau des sables, mesurée en 2012 (b) ............................................................ 103 Figure 2.7 : Localisation de la matière organique dans les sédiments (a) et les sables (b) du bassin de Cheviré. Les valeurs sont exprimées en g kg-1 MS ............................................................................. 105 Figure 2.8 : Tests de stabilité des agrégats : humectation rapide dans l’eau (a) ; désagrégation mécanique par agitation après réhumectation dans l’éthanol (b) ; humectation lente par capillarité (c) ..............................................................................................................................................................110 Figure 2.9 : Représentation schématique d’une table de succion (a) ; Dispositif de chambre de pression de Richards (b) ..................................................................................................................................... 111 Figure 2.10 : Appareil de mesure DSA100 (Krüss) utilisé pour la mesure de l’angle de contact ........113 Figure 2.11 : Instrument de mesure de l’angle de contact par remontée capillaire (Michel et al., 2001) ..............................................................................................................................................................114 Figure 2.12 : Protocole de fractionnement physique de la matière organique .....................................115 Figure 2.13 : Cellule d’incubation des échantillons de sol ...................................................................117 Figure 2.14 : Fumigation des échantillons sous vide............................................................................118 Figure 2.15 : Schéma détaillé d’une colonne de sol (unité en mm) .................................................... 121 Figure 2.16 : Cycle de simulation des pluies sur les colonnes ............................................................ 125 Figure 2.17 : Organisation des échantillons pour l’analyse d’image................................................... 127 Figure 2.18 : Exemples de photographies sous différentes lumières (échelle 1 pxl = 100 µm) .......... 129 Figure 3.1 : Relations entre la teneur en MO et le pH eau (a) et la CEC (b) dans le sol du bassin ..... 138 Figure 3.2 : Relations entre les teneurs en MO et en COT (a) ; et, entre les teneurs en COT et en NT (b) dans les sédiments (A) et les sables (S) du bassin ......................................................................... 139 Figure 3.3 : Distribution granulométrique des sédiments (a) et des sables (b) aux 5 points spécifiques du bassin de Cheviré............................................................................................................................ 140 Figure 3.4 : Masses volumiques réelles des particules dans les sédiments et dans les sables. Les barres d’erreurs représentent les écart-types .................................................................................................. 142 Figure 3.5 : Image à la loupe binoculaire (x10) d’agrégats dans les sédiments de Cheviré (fraction > à 2 mm) .................................................................................................................................................. 143 Figure 3.6 : Comparaison des diamètres moyens pondéraux (MWD) obtenus pour les 3 tests de stabilité structurale sur les agrégats des sédiments (A) de Cheviré ..................................................... 143 Figure 3.7 : Relations entre MWD et teneur en COT des agrégats de sédiments ............................... 144 Figure 3.8 : Points expérimentaux de rétention en eau et courbes théoriques, ajustées avec une double fonction de van Genuchten, dans les sédiments (a) et dans les sables (b) du bassin de Cheviré ........ 146 Figure 3.9 : Evolution de la rétention en eau des sédiments au cours d’un cycle de dessiccationréhumectation ...................................................................................................................................... 148 Figure 3.10 : Valeurs d’angles de contact mesurés sur les agrégats et les sédiments (A) broyés (méthode de la goutte posée) ............................................................................................................... 149 Figure 3.11 : Relations entre les angles de contact et la teneur en MO (a) et la teneur en COT (b) ... 149 Figure 3.12 : Evolution des angles de contact en fonction du potentiel hydrique des sédiments (A) aux points 1, 5 et 10 du bassin ................................................................................................................... 150 Figure 3.13 : Relation entre la teneur en MO et la conductivité hydraulique à saturation (Ks-1cm). Equation de la régression : MO=0,329,*Ks-0,491, R²=0,6549, P<0,05 ................................................. 154 12.

(13) Figure 3.14 : Distribution des parties organiques et minérales dans les différentes fractions granulométriques des sédiments (A) ................................................................................................... 156 Figure 3.15 : Distribution des parties organiques et minérales dans les différentes fractions granulométriques des sables (S) .......................................................................................................... 158 Figure 3.16 : Carbone organique total dans les échantillons avant fractionnement physique (▲) et distribution du C dans les fractions granulométriques des sédiments (A)........................................... 158 Figure 3.17 : Valeurs du rapport C/N aux différents points de mesure des sédiments et des sables du bassin de Cheviré................................................................................................................................. 160 Figure 3.18 : Potentiel de minéralisation du C, exprimé par rapport au COT, des sédiments (A) ...... 161 Figure 3.19 : Relation entre la quantité de C minéralisé après 300 jours d’incubation et la teneur en COT des sédiments, avec tous les points (a) et sans le point 3A (b) ................................................... 162 Figure 3.20 : Composition biochimique de la matière organique des sédiments (A) (fractions : lignine (LIG), hémicellulose et cellulose (HEM+CEL) et soluble (SOL)) ..................................................... 163 Figure 3.21 : Composition biochimique des sédiments (A) dans chaque fraction granulométrique ... 163 Figure 3.22 : Evolution de la biomasse microbienne des sédiments, exprimée en mgC kg-1 MS, au cours du temps ..................................................................................................................................... 167 Figure 4.1 : Evolution de l’épaisseur de la couche de sédiments au cours du temps (n=117) ............ 176 Figure 4.2 : Evolution des teneurs en COT (a) et en NT (b) le long du profil de sol après 6, 12, 24 et 36 mois simulés ........................................................................................................................................ 178 Figure 4.3 : Nomenclature des colonnes de sol et des différentes couches pour l’analyse de l’espace poral ..................................................................................................................................................... 179 Figure 4.4 : Evolution de la porosité surfacique totale dans les 3 couches de sol au cours du temps . 179 Figure 4.5 : Evolution de la porosité surfacique pour les couches intermédiaire (a) et en profondeur (b) au cours du temps (t en mois) .............................................................................................................. 180 Figure 4.6 : Evolution de la porosité surfacique dans la couche de surface au cours du temps (t en mois) .................................................................................................................................................... 180 Figure 4.7 : Images colorisées de la couche de surface : la matrice minérale est en noir, les vides sont en blanc et les sédiments sont colorés (résolution : 1pxl = 100µm) ................................................... 181 Figure 4.8 : Relation entre l’épaisseur de sédiments et la porosité surfacique du sédiment au cours du temps ................................................................................................................................................... 182 Figure 4.9 : Evolution de la porosité surfacique de la couche de sédiments au cours du temps ......... 182 Figure 4.10 : Distribution des surfaces occupées par les particules de sédiments en fonction de leur taille au cours du temps (dans les images de résolution 1 pxl = 100µm). Chaque bâton représente une particule ............................................................................................................................................... 183 Figure 4.11 : Images colorisées de la couche de sédiments : la matrice minérale est en noir, les vides sont en blanc et les sédiments sont colorés (résolution : 1pxl = 25µm) ............................................. 184 Figure 4.12 : Distribution des surfaces occupées par les particules de sédiments (a) et nombre de particules de sédiments associées (b) en fonction de leur taille au cours du temps, identifiées dans les images de résolution 1 pxl = 25 µm .................................................................................................... 185 Figure 4.13 : Evolution des volumes d’eau écoulés en sortie de colonne après différentes périodes simulées ............................................................................................................................................... 186 Figure 4.14 : Relation entre l’épaisseur de la couche de sédiments et le débit en sortie de colonne .. 187 Figure 4.15 : Accumulation d’eau à la surface de la couche de sédiments après environ 15 mois simulés ................................................................................................................................................. 188. 13.

(14) Figure 4.16 : Evolution temporelle de l’accumulation d’eau à la surface des sédiments .................... 189 Figure 4.17 : Relation entre l’épaisseur de sédiments et la hauteur de la lame d’eau après 36 mois .. 189 Figure 4.18 : Géométrie du domaine modélisé avec évolution de la couche de sédiments : pas de sédiments à t = 0 ; 0,5 cm d’épaisseur à t +6 mois ; 1 cm à t +12 mois ; 2 cm à t +24 mois et 3 cm à t +36 mois simulés. Unité en centimètre ............................................................................................... 191 Figure 4.19 : Courbes de rétention en eau expérimentales et théoriques des sédiments et du sable utilisés dans les colonnes de sol .......................................................................................................... 192 Figure 4.20 : Cumul des flux simulés en sortie de colonne à t = 0, à t = 6 mois, à t = 12 mois, à t = 24 mois, et à t = 36 mois simulés. Comparaison avec les valeurs expérimentales................................... 194 Figure 4.21 : Hauteurs d’eau simulées au dessus de la surface des sédiments, à t = 24 et 36 mois .... 195 Figure 4.22 : Relation entre la porosité surfacique des sédiments et la conductivité hydraulique à saturation des sédiments au cours du temps ........................................................................................ 197 Figure 5.1 : Géométrie du domaine modélisé représentant le profil arrivée principale des eaux/surverse du bassin de Cheviré (coupe transversale), unité en mètre.................................................................. 204 Figure 5.2 : Distribution des six matériaux au sein du domaine modélisé et localisation du point d’observation ....................................................................................................................................... 205 Figure 5.3 : Points expérimentaux de rétention en eau et courbes théoriques, ajustées avec la fonction bimodale (Durner, 1994), des matériaux 2 à 6 du domaine modélisé ................................................. 206 Figure 5.4 : Conditions aux limites imposées au domaine modélisé................................................... 208 Figure 5.5 : Précipitations (trait continu) et hauteurs d’eau mesurées (losange) dans le bassin de Cheviré au cours des hivers 2004, 2005 et 2006 ................................................................................. 209 Figure 5.6 : Points expérimentaux et courbes simulées (sortie Hydrus) de rétention en eau des matériaux du domaine modélisé .......................................................................................................... 209 Figure 5.7 : Valeurs mesurées (losange) et simulées (trait continu) de la hauteur d’eau au pied de la surverse du bassin de Cheviré au cours des hivers 2004 (a), 2005 (b) et 2006 (c).............................. 210 Figure 5.8 : Localisation de la zone excavée en mai 2004 dans le bassin de Cheviré .........................211 Figure 5.9 : Influence du niveau de la nappe sur les hauteurs d’eau au pied de la surverse dans le bassin, valeurs mesurées (losange) et simulées (trait continu) ............................................................ 213 Figure 5.10 : Evaluation de la sensibilité du modèle aux valeurs de Ks, comparaison des hauteurs d’eau simulées dans le bassin en fonction des valeurs de Ks ........................................................................ 214 Figure 5.11 : Relation entre l’épaisseur de la couche de sédiments (SED) et la teneur en MO. Equation de la régression : MO = 7,6582 × SED + 9 ......................................................................................... 216 Figure 5.12 : Relations entre les teneurs en eau et les teneurs en MO mesurées dans les sédiments aux 5 points spécifiques du bassin de Cheviré, pour chaque potentiel hydrique ....................................... 219 Figure 5.13 : Evolution des courbes de rétention en eau des matériaux 2, 3, 4 à t +5, +10, +15 et +20 ans. Les points correspondent aux valeurs estimées (Estim) à partir des équations de régression et les traits, aux courbes théoriques .............................................................................................................. 220 Figure 5.14 : Evolution des hauteurs d’eau simulées dans le bassin (valeurs actuelles en pointillé) et des débordements (flux d’eau) au niveau de la surverse ..................................................................... 225 Figure 5.15 : Evaluation de la sensibilité du modèle aux valeurs de rétention en eau, comparaison des hauteurs d’eau simulées dans le bassin avec les valeurs estimées de rétention (trait continu) et sans modification des valeurs du modèle actuel (pointillé)......................................................................... 226. 14.

(15) Figure A.1 : Localisation des zones d’observations des végétaux dans le bassin de Cheviré ............. 261 Figure B.1 : Vue d’ensemble du dispositif expérimental .................................................................... 263 Figure B.2 : Saturation progressive des colonnes de sol ..................................................................... 263 Figure B.3 : Colonne de sol équipée de trois tensiomètres ................................................................. 263 Figure B.4 : Colonnes de sol non équipées de tensiomètres ............................................................... 264 Figure B.5 : Réservoir et pompe péristaltique (Masterflex ® L/S) ..................................................... 264 Figure B.6 : Plaque d’alimentation à la surface des colonnes ............................................................. 264 Figure B.7 : Logiciel d’acquisition des mesures des balances ............................................................ 264 Figure B.8 : Bornier et centrale d’acquisition ..................................................................................... 264 Figure B.9 : Accumulation d’une lame d’eau à la surface du sol après15 mois simulés..................... 264 Figure B.10 : Apport manuel de sédiments dans une colonne............................................................. 264 Figure C.1 : Canne tensiométrique et capteur électronique (d’après SDEC France) .......................... 265 Figure C.2 : Exemple d’une courbe d’étalonnage d’un capteur (capteur A1) ..................................... 265 Figure D.1 : Système d’échange eau-acétone (Grosbellet, 2008) ...................................................... 268 Figure F.1 : Détails des courbes de rétention en eau aux cinq points spécifiques des sédiments (A) . 283 Figure F.2 : Détails des courbes de rétention en eau aux cinq points spécifiques des sables (S) ....... 283 Figure G.1 : Cinétiques d’infiltration aux cinq points spécifiques des sédiments (a) et des sables (b) du bassin de Cheviré, mesurées en avril 2009 .......................................................................................... 293 Figure G.2 : Cinétiques d’infiltration aux cinq points spécifiques des sédiments (a) et des sables (b) du bassin de Cheviré, mesurées en mars 2012 ......................................................................................... 293 Figure H.1 : Distribution des parties organiques et minérales dans les différentes fractions granulométriques des sédiments (A) du bassin de Cheviré ................................................................. 287 Figure H.2 : Distribution des parties organiques et minérales dans les différentes fractions granulométriques des sables (S) du bassin de Cheviré ........................................................................ 288 Figure H.3 : Carbone organique total dans les échantillons avant fractionnement physique (▲) et distribution du C dans les fractions granulométriques des sédiments (A)........................................... 288 Figure I.1 : Colonne de sol avant le démarrage de l’expérimentation (T=0) ...................................... 289 Figure I.2 : Colonne de sol après 6 mois simulés, épaisseur de la couche de sédiments = 0,5 cm ..... 289 Figure I.3 : Colonne de sol après 12 mois simulés, épaisseur de la couche de sédiments = 1 cm ...... 289 Figure I.4 : Colonne de sol après 24 mois simulés, épaisseur de la couche de sédiments = 2 cm ...... 290 Figure I.5 : Colonne de sol après 36 mois simulés, épaisseur de la couche de sédiments = 3 cm ...... 290 Figure J.1 : Influence du niveau de la nappe sur les hauteurs d’eau au pied de la surverse dans le bassin, valeurs mesurées (losange) et simulées (trait continu), hivers 2004 et 2005 .......................... 291 Figure J.2 : Influence de la nature bimodale ou unimodale de la porosité du sol sur les hauteurs d’eau au pied de la surverse dans le bassin, hivers 2004 et 2005 .................................................................. 291 Figure J.3 : Evaluation de la sensibilité du modèle aux valeurs de Ks, comparaison des hauteurs d’eau simulées dans le bassin en fonction des valeurs de Ks, hivers 2004 et 2005 ....................................... 292 Figure J.4 : Evolution des hauteurs d’eau simulées dans le bassin (valeurs actuelles en pointillé) et des débordements (flux d’eau) au niveau de la surverse avec les apports de l’hiver 2004........................ 293 Figure J.5 : Evolution des hauteurs d’eau simulées dans le bassin (valeurs actuelles en pointillé) et des débordements (flux d’eau) au niveau de la surverse avec les apports de l’hiver 2005........................ 294 15.

(16) 16.

(17) LISTE DES TABLEAUX Tableau 1.1 : Paramètres physico-chimiques globaux de sédiments issus de l’assainissement des eaux pluviales ................................................................................................................................................ 34 Tableau 1.2 : Exemples de compositions minéralogiques de six sédiments (d’après El-Mufleh, 2011)36 Tableau 1.3 : Proportions des différentes fractions organiques dans des sédiments de bassin (% massique de la MO totale) (d’après Durand, 2003)............................................................................... 38 Tableau 1.4 : Concentrations en ETM (mg kg-1MS) dans les sédiments de bassins relevées dans la littérature et comparaison avec les normes en vigueur .......................................................................... 42 Tableau 1.5 : Teneurs en HAP (µg kg-1) identifiées dans des sédiments de bassin d’infiltration des eaux pluviales ................................................................................................................................................ 44 Tableau 1.6 : Principales méthodes de caractérisation de la MO (adapté de Parnaudeau (2005)) ........ 52 Tableau 1.7 : Principaux rôles de la MO dans la qualité des sols (Balesdent et al., 2005).................... 57 Tableau 1.8 : Rapports C/N de sédiments issus de l’assainissement pluvial ......................................... 62 Tableau 1.9 : Ordre de grandeur de la conductivité hydraulique à saturation dans des sols de différentes textures (Musy & Soutter, 1991) ........................................................................................................... 76 Tableau 1.10 : Conductivités hydrauliques à saturation (m s-1) relevées dans des sédiments et dans le sous-sol de bassins d’infiltration d’eaux pluviales ................................................................................ 77 Tableau 2.1 : Caractéristiques physico-chimiques des sables de Cheviré ........................................... 104 Tableau 2.2 : Caractérisation des sédiments et des sables : analyses et points de prélèvements étudiés ............................................................................................................................................................. 106 Tableau 2.3 : Protocole pour la mesure de la masse volumique réelle des particules à l’aide d’un pycnomètre .......................................................................................................................................... 108 Tableau 2.4 : Calcul des débits d’alimentation à appliquer aux colonnes pour se placer dans une configuration proche du terrain (d’après Ruban (2009)) ..................................................................... 120 Tableau 2.5 : Exemples de concentrations en matières en suspension des eaux de ruissellement pluviales relevées dans la littérature .................................................................................................... 124 Tableau 2.6 : Organisation des colonnes de sol : nom, durée simulée et paramètres étudiés .............. 125 Tableau 2.7 : Caractéristiques physiques des colonnes de sol ............................................................. 126 Tableau 2.8 : Correspondance entre les classes de surface de pores en pixel et en mm², et rayons de pores équivalents, pour les deux résolutions choisies ......................................................................... 128 Tableau 3.1 : Les paramètres chimiques globaux des sédiments (A) et des sables (S) de Cheviré. Les moyennes ainsi que les écarts-types sont présentées ........................................................................... 137 Tableau 3.2 : Distribution granulométrique et texture des sédiments (A) et des sables (S) du bassin 141 Tableau 3.3 : Masses volumiques apparentes et porosité totale des sédiments et des sables de Cheviré ............................................................................................................................................................. 142 Tableau 3.4 : Paramètres de van Genuchten et RMSE : résultats de la modélisation des courbes de rétention en eau du sol du bassin ......................................................................................................... 145 Tableau 3.5 : Paramètres de van Genuchten et RMSE : résultats de la modélisation des courbes de rétention en eau du sol au cours d’un cycle de dessiccation-réhumectation ....................................... 147 Tableau 3.6 : Valeurs de conductivité hydraulique à saturation (Ks-1cm) des sédiments (A) et des sables (S) du bassin de Cheviré, mesurées en avril 2009 (Burgaud, 2009).................................................... 151 17.

(18) Tableau 3.7 : Valeurs de conductivité hydraulique à saturation (Ks-1cm) des sédiments (A) et des sables (S) du bassin de Cheviré, mesurées en mars 2012 .............................................................................. 152 Tableau 3.8 : Comparaisons des humidités pondérales (g 100g-1) des sédiments et des sables au cours des mesures d’infiltration d’avril 2009 et de mars 2012 ..................................................................... 153 Tableau 3.9 : Calcul de la résistance hydraulique R en tous points de la couche de sédiments (A) du bassin de Cheviré................................................................................................................................. 153 Tableau 3.10 : Comparaison des teneurs en COT des sédiments et de la quantité de C minéralisé après 300 jours d’incubation ......................................................................................................................... 161 Tableau 3.11 : Propriétés microbiologiques des sédiments de Cheviré, mesurées sur les échantillons prélevées en avril 2011 ........................................................................................................................ 165 Tableau 3.12 : Eléments de calcul de la respiration spécifique des sédiments de Cheviré ................. 166 Tableau 3.13 : Teneurs en HAP des sédiments de Cheviré, exprimées en µg kg-1 (El-Mufleh, 2011) 168 Tableau 3.14 : Coefficients de corrélation (R) de Spearman entre le COT, la MOT, le C minéralisé, le C microbien, la fraction soluble et les HAP totaux ............................................................................. 168 Tableau 4.1 : Evolution des débits en sortie de colonne (mL min-1) au cours du temps ..................... 187 Tableau 4.2 : Paramètres hydrodynamiques relatifs à chaque matériau intégrés sous Hydrus ........... 192 Tableau 4.3 : Débits en sortie de colonne (mL min-1) simulées et observées ...................................... 195 Tableau 4.4 : Valeurs de conductivité hydraulique à saturation des sédiments et du sable dans la colonne obtenues par résolution inverse.............................................................................................. 196 Tableau 5.1 : Correspondance entre les matériaux du domaine modélisé et les points de mesure étudiés dans le bassin de Cheviré .................................................................................................................... 206 Tableau 5.2 : Paramètres hydrodynamiques relatifs à chaque matériau, pour une porosité bimodale, utilisés sous Hydrus2D ........................................................................................................................ 207 Tableau 5.3 : Présentation des valeurs de Ks intégrées dans Hydrus pour tester sensibilité modèle .. 213 Tableau 5.4 : Evolution de l’épaisseur de la couche de sédiments dans les matériaux du domaine modélisé .............................................................................................................................................. 215 Tableau 5.5 : Estimation des teneurs en MO pour différentes épaisseurs de sédiments, à partir de l’équation de régression....................................................................................................................... 216 Tableau 5.6 : Estimation des valeurs de Ks pour différentes épaisseurs de sédiments, à partir des teneurs en MO estimées ...................................................................................................................... 217 Tableau 5.7 : Récapitulatif des épaisseurs de sédiments, des teneurs en MO estimées et des valeurs de Ks intégrées au modèle pour simuler le vieillissement du bassin. Comparaison avec modèle actuel 218 Tableau 5.8 : Evolution de la macro- et microporosité de rétention en eau au cours du temps .......... 221 Tableau 5.9 : Estimation et évolution des paramètres hydrodynamiques relatifs à chaque matériau, pour une porosité bimodale, intégrés sous Hydrus2D ......................................................................... 222 Tableau 5.10 : Synthèse des paramètres estimés pour simuler le vieillissement du bassin de Cheviré223 Tableau 5.11 : Résistances hydrauliques (en h) dans les sédiments du bassin de Cheviré pour les différentes années simulées ................................................................................................................. 227 Tableau A.1 : Inventaire et localisation des espèces végétales observées dans le bassin de rétentioninfiltration de Cheviré en Juillet 2010 ................................................................................................. 261 Tableau C.1 : Présentation des fonctions de calibration pour chaque tensiomètre utilisé ................... 266 Tableau I.1 : Détails des teneurs en COT et en NT mesurées le long du profil de sol des colonnes après 6, 12, 24 et 36 mois simulés ................................................................................................................ 290. 18.

(19) LISTE DES ABREVIATIONS. C. Carbone. CEC. Capacité d’échange cationique. CEL. Cellulose. COD. Carbone organique dissous. COT. Carbone organique total. ETM. Eléments trace métalliques. HAP. Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques. HEM. Hémicellulose. K. Conductivité hydraulique. Ks. Conductivité hydraulique à saturation. LIG. Lignine. M. Matériau. MES. Matières en suspension. MO. Matière organique. MOP. Matière organique particulaire. MOT. Matière organique totale. MS. Masse sèche. NT. Azote total. Pt. Porosité totale du sol. R. Résistance hydraulique. Se. Saturation effective. SOL. Fraction soluble. US-EPA. Agence américaine de Protection de l’Environnement. VG. Van Genuchten. θ. Teneur en eau volumique du sol. θr. Teneur en eau résiduelle. θs. Teneur en eau à saturation. ψ. Potentiel hydrique. 19.

(20) 20.

(21) Introduction générale. 21.

(22) Introduction générale. SOMMAIRE CONTEXTE GENERAL ............................................................................................................... 23 . La gestion des eaux pluviales en milieu urbain ................................................................. 23. . Origine des eaux et de leur pollution .................................................................................. 23. . Problématiques liées à l’infiltration des eaux pluviales .................................................... 24. CONTEXTE SCIENTIFIQUE ET ORIENTATION DU TRAVAIL........................................................ 26 . Le projet POLESUR ............................................................................................................ 26. . Objectif général et organisation de la thèse ....................................................................... 26. 22.

(23) Contexte général. Contexte général  La gestion des eaux pluviales en milieu urbain L’extension des aires urbaines et le développement du réseau routier depuis plusieurs décennies ont conduit à une augmentation des surfaces imperméabilisées et ont fait de la maitrise du ruissellement l’une des priorités de l’aménagement urbain et routier. En effet, les eaux pluviales, issues du ruissellement en milieu urbain, peuvent d’une part engendrer des débits et volumes importants susceptibles de provoquer des inondations, et d’autre part véhiculer des quantités élevées de polluants organiques (hydrocarbures, pesticides) et inorganiques (éléments traces métalliques), générés par les activités humaines et déposés sur ces surfaces (Chebbo, 1992; Gromaire-Mertz, 1998; Thorpe & Harrison, 2008). Les volumes qui en résultent ne peuvent donc pas être rejetés en l’état au milieu naturel. Pour collecter ces eaux pluviales, des ouvrages d’assainissement, tels que les bassins de rétention-infiltration, sont fréquemment mis en place, et ce depuis une trentaine d’années (Nightingale, 1987; Yousef et al., 1994) et sont construits le long des axes routiers et dans les zones urbaines (Bechet et al., 2007; Chocat et al., 2007). Ces bassins permettent de diminuer les débits et/ou les volumes d’eaux pluviales tout en favorisant la recharge des nappes. Ils présentent également un intérêt épuratoire en utilisant le sol comme piège pour les micropolluants (Clozel et al., 2006; Ruban, 2009) et contribuent ainsi à améliorer la qualité des eaux rejetées vers le milieu naturel. Le sol récepteur des bassins d’infiltration doit répondre à des critères précis : être suffisamment perméable pour permettre l’infiltration, permettre un écoulement de l’eau assez lent pour que l’épuration puisse se faire (Chocat, 1997), et ne pas être trop proche de la zone saturée de la nappe phréatique..  Origine des eaux et de leur pollution La qualité des eaux d’infiltration est très variable d’un évènement pluvieux à l’autre (période de temps sec ou non) et d’un bassin versant à l’autre (zone routière, industrielle, d’habitation, etc.). Les eaux pluviales transportent notamment : les dépôts météoritiques qui sont les dépôts atmosphériques secs (déposés par le vent) et humides (par les précipitations), et les eaux de ruissellement qui proviennent du ruissellement sur les toitures et les voiries des villes (désignées par l’appellation « rejet urbain par temps de pluie ») ou liées aux infrastructures routières (« rejet routier par temps de pluie ») (Durand, 2003; Pagotto, 1999). Le trafic routier est la source principale de pollution en milieu urbain (Figure 0.1). Il entraîne le dépôt sur les voiries de différents polluants tels que les hydrocarbures (huile et essence), et les différents métaux lourds provenant de l’essence (plomb), de l’usure des pneus (zinc, cadmium, cuivre) et des pièces métalliques (titane, chrome, aluminium, etc.). Lors de la saison hivernale, à cause des épandages de fondants routiers, les eaux de ruissellement se chargent également en sables et en. 23.

(24) Introduction générale. chlorures (NaCl, CaCl2, KCl) (Pagotto, 1999). Les autres sources urbaines de pollution correspondent aux activités industrielles (transport atmosphériques d’éléments traces métalliques, résidus pétroliers et micropolluants organiques), aux déjections des animaux (matière organique, contamination bactérienne ou virale), aux déchets solides (matière organique, plastiques, métaux, papier, etc.), ainsi qu’aux activités de chantier et à l’érosion des sols.. 1 : panneaux de signalisation Hydrocarbures, HAP : 2 : combustions industrielles, domestiques, etc. 2, 3, 5, 6, 8, 10, 11 3 : feux de forêts Zinc « Zn » : 4 : glissières de sécurité 1, 2, 4, 8, 10, 11, 12, 13 5 : routes (enrobés) Nickel « Ni », Chrome « Cr » : 6 : combustion à l’échappement 2, 7, 9, 11 7 : peintures Cuivre « Cu » : 8 : huiles 2, 9, 11, 12, 13 9 : carrosserie Plomb « Pb » : 10 : pneumatiques 2, 6, 11, 12, 13 11 : boues de bassins Cadmium « Cd » : 12 : toitures 1, 2, 8, 10, 11 13 : garnitures de freins. Figure 0.1 : Origine des principaux polluants rencontrés en domaine routier et urbain (Ruban et al., 2003). Les polluants présents dans les eaux pluviales ont donc des origines variées. Mais ils sont spécifiques des caractéristiques hydrologiques et morphologiques du bassin versant drainé, et des activités qui s’y développent. Les bassins d’infiltration ont pour rôle de retenir et de concentrer cette pollution, afin qu’elle ne rejoigne pas directement le milieu naturel. C’est dans ce contexte qu’à l’heure actuelle, cette technique alternative est souvent utilisée pour la gestion des eaux pluviales, même si leur évolution à long terme n’est pas encore très bien comprise (Dechesne et al., 2005)..  Problématiques liées à l’infiltration des eaux pluviales Les bassins d’infiltration des eaux pluviales présentent aussi des limites techniques. Les eaux qui se déversent dans les bassins sont chargées en matières en suspension. Ces particules ont tendance à s’accumuler dans les bassins d’infiltration et à former ainsi une couche de sédiments sur le sol originel du bassin (Dechesne et al., 2004; Lassabatere et al., 2007; Legret et al., 1995). Bien qu’une estimation. 24.

(25) Contexte général. des volumes soit difficile à obtenir, les quantités déposées ou curées apparaissent très importantes avec près de 5 millions de tonnes de matière sèche à l’échelle du territoire français (Ruban et al., 2003). La zone superficielle des bassins d’infiltration subit au cours de son vieillissement de nombreux processus, comme des apports discontinus d’eaux, de sédiments et de polluants. Ces apports intermittents liés aux pluies se traduisent par divers phénomènes physico-chimiques (filtration, sorption) et biologiques (développement microbien) rendant l’interface de l’ouvrage très évolutive dans le temps et très hétérogène dans l’espace. De nombreux auteurs ont observé une contamination importante de ces sédiments par les éléments suivants : Zn, Pb, Cu, Ni, Cd, Cr, hydrocarbures et hydrocarbures aromatiques polycycliques (Bechet et al., 2006; Clozel et al., 2006; Dechesne et al., 2004; Durand et al., 2005; Nogaro et al., 2007; Pitt et al., 1999). Ces sédiments peuvent donc être une source potentielle de contamination pour les eaux souterraines (Datry et al., 2003; Pitt et al., 1999). L’épaisseur de la zone non saturée sous les bassins et les conditions physico-chimiques jouent un rôle important sur la rétention des polluants dans les cinquante premiers centimètres de sol (Dechesne, 2002). À terme, la pollution accumulée en surface est susceptible de traverser la zone non saturée et ainsi rejoindre la nappe phréatique, contaminant à la fois le sol et la nappe. De nombreuses études ont montré que globalement la pollution diminue avec la profondeur, témoignant de leur diffusion et de leur transfert progressif vers les couches profondes du sol (Dechesne et al., 2004; Winiarski et al., 2006). Du fait de la forte charge polluante particulaire dans les eaux de ruissellement, la couche de sédiment est caractérisée par une pollution mixte (organique et métallique). Ces sédiments sont formés d’un mélange complexe de matières organiques naturelles (végétales ou microbiennes) et anthropiques (produits dérivés du pétrole) (Badin et al., 2008; Durand et al., 2005; Durand et al., 2004). De nombreux auteurs ont observé la distribution spatiale inégale de ces matières en suspension riches en matières organiques, depuis l’entrée du bassin jusqu’à l’extrémité opposée (Barraud et al., 2005; Datry et al., 2003; Legret et al., 1995; Winiarski et al., 2006). Les particules organiques étant peu mobiles dans le sol, l’essentiel de ces matières organiques reste généralement concentré dans les 30-40 premiers centimètres de sol. Différents cas de dysfonctionnements hydrauliques ont conduit à mettre en évidence que la diminution du taux d’infiltration était en grande partie liée à un phénomène de colmatage du sol des bassins par les sédiments (Barraud et al., 2002; Nogaro, 2007; Schuh, 1990). Cette diminution d’efficacité peut être renforcée par les phénomènes d’hydrophobicité des matières organiques lors des alternances de dessiccation-humectation. Le couplage de ces phénomènes a encore été peu décrit mais reste indispensable pour l’élaboration de modèles de transfert dans les bassins d’infiltration. La question de la composition et de la capacité de biodégradation de ces matières organiques en lien avec les propriétés d’infiltration est donc posée.. 25.

Figure

Tableau  1.4 : Concentrations en ETM (mg kg -1 MS) dans les sédiments de bassins relevées dans la  littérature et comparaison avec les normes en vigueur
Figure  1.1 : Structures des 16 HAP retenus comme polluants majeurs par l’US-EPA (figure issue de  Coelho et al
Figure  1.2 : Evolution de l’état d’agrégation des sédiments en fonction de l’utilisation des bassins  d’infiltration (Badin, 2009)
Figure  1.3 : Structure des précurseurs de la lignine : I - alcool-ρ-coumarylique; II - Alcool coniférylique ;  III - Alcool sinapylique (Kögel-Knabner, 2002)
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