Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
![Fig. 1 Schéma de la zone d'étude, y compris les sites de mesure des micropolluants (MV). Les affluents des communes voisines ainsi que le bassin versant marqué en brun ont été pris en compte comme affluents dans le MOS par des mesures de débit [7].](/media/1766700/fa-cavadini-fig1-web.jpg?width=760&height=440&bgcolor=e8e8e8 "Fig. 1 Schéma de la zone d'étude, y compris les sites de mesure des micropolluants (MV). Les affluents des communes voisines ainsi que le bassin versant marqué en brun ont été pris en compte comme affluents dans le MOS par des mesures de débit [7].")
![Fig. 2 Représentation schématique des quatre types de BGI analysés, y compris leurs couches et leur profondeur. Basé sur Cavadini et al. [12].](/media/1766701/fa-cavadini-fig2-web.jpg?width=760&height=440&bgcolor=e8e8e8 "Fig. 2 Représentation schématique des quatre types de BGI analysés, y compris leurs couches et leur profondeur. Basé sur Cavadini et al. [12].")
![Fig. 6 Coûts pour éviter un m³ de MWE sur la durée de vie de l'infrastructure. Les coûts incluent les coûts de construction et d'entretien, mais pas les coûts d'acquisition des terrains.Les coûts d'entretien sont calculés pour une période de 30 ans, avec un taux d'actualisation de 2%. Les coûts sont basés sur des valeurs bibliographiques issues d'études réalisées aux États-Unis et servent de première base de comparaison entre différents types de BGI. Pour le bassin MWE, on a supposé qu'il permettait une réduction de volume de 25% (il n'a pas été simulé dans le SWMM). Basé sur Cavadini et al. [21].](/media/1766705/fa-cavadini-fig6-web.jpg?width=760&height=440&bgcolor=e8e8e8 "Fig. 6 Coûts pour éviter un m³ de MWE sur la durée de vie de l'infrastructure. Les coûts incluent les coûts de construction et d'entretien, mais pas les coûts d'acquisition des terrains.Les coûts d'entretien sont calculés pour une période de 30 ans, avec un taux d'actualisation de 2%. Les coûts sont basés sur des valeurs bibliographiques issues d'études réalisées aux États-Unis et servent de première base de comparaison entre différents types de BGI. Pour le bassin MWE, on a supposé qu'il permettait une réduction de volume de 25% (il n'a pas été simulé dans le SWMM). Basé sur Cavadini et al. [21].")
L'urbanisation et l'adaptation climatique des villes augmentent le besoin d'infrastructures bleu-vert (BGI) pour une gestion durable des eaux pluviales [1]. Les infrastructures bleu-vert comprennent un réseau d'éléments paysagers semi-naturels et semi-naturels, tels que les surfaces d'infiltration (VF), les revêtements perméables (SB), les toits verts (GD) et les bassins de rétention (RT) [2]. Ces systèmes peuvent réduire ou retarder le ruissellement de surface des zones urbaines en stockant et en infiltrant l'eau de pluie [3]. Ainsi, en cas de pluie, les IGT réduisent la surcharge des égouts, ce qui entraîne une décharge des eaux de ruissellement non traitées (système séparatif) et des eaux mixtes (système unitaire) dans les eaux de surface [4]. Ces déversements contiennent divers polluants, comme les micropolluants (MV), qui peuvent provoquer des effets écotoxicologiques même à de faibles concentrations [5]. Les médicaments, les biocides et l'abrasion des pneus en sont des exemples.
Il n'existe cependant pas de méthode établie permettant d'inclure systématiquement plusieurs types de BGI dans des analyses globales de bassins versants et de quantifier leur impact sur la réduction des rejets d'eaux pluviales (RWE) et des déversements d'eaux mixtes (MWE).
Pour une approche globale, il faudrait également tenir compte de la charge polluante en plus des volumes délestés. Il n'est pas certain que la BGI dans le bassin versant puisse réduire considérablement la charge de MV délestée et, par conséquent, la concentration de MV dans les eaux de surface. De plus, l'augmentation des précipitations extrêmes prévue par le changement climatique représente un risque pour les systèmes de drainage, car cette augmentation pourrait accroître la fréquence et les volumes de MWE[6, 7].
L'objectif de cette étude est de quantifier l'impact de la BGI sur les volumes délestés ainsi que sur la charge et la concentration en MV. En outre, l'influence du changement climatique sur les MW et le potentiel d'atténuation des BGI sont examinés.
Le «laboratoire d'hydrologie urbaine de terrain» de Fehr-altorf (2020 : 6578 habitants, 155 ha, Fig. 1) [8], près de Zurich, a été choisi comme zone d'étude. Sur la surface totale, 61% sont drainés par un système mixte et 39% par un système séparatif (TS). Le système de drainage comprend six MWE et 14 RWE.
Le «laboratoire d'hydrologie urbaine de terrain», une initiative de l'Eawag et de l'ETH Zurich, comprend un réseau de plus de 100 capteurs dans les égouts ainsi qu'un modèle détaillé des égouts dans le Stormwater Management Model (SWMM) [8-10]. SWMM est un modèle hydrodynamique [11] qui simule le système de drainage et d'évacuation des eaux usées d'une ville et permet ainsi d'estimer la quantité et la qualité du ruissellement. Le modèle de base SWMM a été calibré à partir de données de débit dans l'affluent de la station d'épuration et montre une bonne concordance avec les données mesurées [10]. Ces dernières années, ce modèle de base SWMM a été développé et amélioré par Joshi et al. [9] et Rodriguez et al. [10]. Comme aucune mesure des volumes de délestage n'est disponible [8], la validation du débit d'entrée des stations d'épuration a été utilisée comme indicateur de la qualité des prédictions MWE.
Le modèle SWMM a été utilisé et étendu (voir Cap. «Infrastructures bleu-vert» ainsi que «Micropolluants») pour tester différents scénarios, tels que l'influence de la BGI sur les volumes de MWE délestés et la charge de MV rejetée, ainsi que l'analyse des effets du changement climatique sur l'infrastructure de drainage existante. Les études de modélisation SWMM ont été réalisées pour des données de précipitations de 1990 à 2019, tandis que l'analyse climatique couvre la période de 2070 à 2099 (voir Cap. «Changement climatique»). Les calculs pour les délestages MV ont été effectués pour l'année 2019.
Pour les calculs, le modèle de base SWMM a été étendu avec des combinaisons de BGI. Les types de BGI suivants ont été pris en compte : Surfaces d'infiltration, revêtements perméables, toits verts et étangs de rétention (Fig. 2).Ces types de BGI sont représentatifs d'une série de systèmes pouvant être mis en place sur différentes surfaces urbaines (p. ex. espaces verts, parkings, routes, bâtiments) [13].
15 combinaisons de BGI ont été analysées, résultant de toutes les combinaisons possibles de ces quatre types de BGI. Le choix du site et la taille de la surface pour les BGI sont basés sur l'utilisation des terres du bassin versant, selon le cadastre communal [8]. Il a été supposé que VF et RT seraient installés sur des surfaces perméables (par exemple, des espaces verts tels que des jardins, des îlots de circulation), SB sur des surfaces imperméables (par exemple, des parkings, des trottoirs) et GD sur des toits plats. En cas d'utilisation simultanée de RT et de VF, la surface a été répartie équitablement entre les deux. Dans les résultats présentés, il est supposé que les BGI sont construits sur 50% des surfaces appropriées dans le bassin versant. Une description détaillée des scénarios BGI se trouve dans Cavadini et al. [12]. VF traite du ruissellement des surfaces imperméables connectées, tandis que RT, à l'extrémité du bassin versant, traite du ruissellement du sous-bassin versant. SB et GD ne traitent que les précipitations directes. Lorsque les BGI sont à la limite de leur capacité, on a supposé que le ruissellement était rejeté dans le système de canaux. Les paramètres BGI choisis sont visibles dans Cavadini et al. [12], où des valeurs indicatives typiques basées sur des études BGI de la littérature ont été choisies. On suppose que ces paramètres restent constants et qu'il n'y a pas de dégradation des performances au fil du temps.
Pour évaluer l'influence des LIF sur les rejets de MV provenant du système unitaire et du système séparatif dans les eaux de surface, le modèle de base SWMM a été complété et perfectionné avec le système séparatif [14]. Il est ainsi possible d'estimer et de quantifier les apports de substances MV provenant des déversements d'eaux mixtes et d'eaux pluviales (RWE). Cinq MV organiques dissous ont été sélectionnés pour la modélisation sur la base de concentrations potentiellement critiques pour les eaux de surface : Substances issues de l'usure des pneus (N-(1,3-diméthylbutyl)-N'-phényl-1,4--1,4-benzènediamine-quinone : 6PPD-q, 1,3-diphénylguanidine : DPG et hexaméthoxyméthylmélamine : HMMM) et des peintures de façades (diuron). En outre, l'analgésique diclofénac a été pris en compte comme indicateur des eaux usées urbaines.
Les concentrations moyennes de MV dans le ruissellement de surface des routes ou des façades ont été calculées sur la base de mesures effectuées dans le système unitaire pendant des épisodes pluvieux. Le diuron a été mesuré sur trois sites, tandis que les autres MV ont été mesurés sur un seul site [15-17] (Fig. 1).
Les rejets calculés de MV ont été comparés pour le statu quo avec la mise en œuvre de différents types de BGI sur 50% des surfaces disponibles. Les mêmes types de BGI que pour l'analyse des volumes de décharge ont été pris en compte (Fig. 2), les valeurs moyennes des paramètres pour les types de BGI étant choisies dans des études bibliographiques [14]. Pour ce faire, trois scénarios ont été analysés:
Pour évaluer la pertinence des rejets sur le milieu aquatique, le quotient de risque (RQ) a été calculé. Le RQ est dérivé des concentrations cumulées dans les eaux de surface provenant des rejets de MV par rapport aux critères de qualité environnementale aigus. Pour calculer la concentration de MV dans les eaux de surface, on a pris en compte la dilution due à l'écoulement dans le cours d'eau et on a supposé que la concentration de fond était nulle. Les calculs détaillés et les critères de qualité environnementale choisis sont disponibles dans Poggioli et al. [14].
Pour évaluer l'impact du changement climatique, le modèle SWMM a été simulé avec des prévisions de précipitations futures. Quatre modèles climatiques ont été utilisés : trois issus d'EURO-CORDEX [18] et un du "Center for Climate System Modelling" (C2SM, ETH Zurich) [19].
Les quatre modèles sont basés sur un Pathway de concentration représentative de 8,5. Celui-ci suppose une augmentation des émissions de gaz à effet de serre (scénario business-as-usual) et prévoit des changements importants des modèles de précipitations [20].
Comme les données climatiques ne sont disponibles qu'à une résolution grossière (12,5 km pour EUROCORDEX et 2,2 km pour le modèle de résolution de la convection), une correction de biais est appliquée pour s'assurer que les données de grille peuvent représenter de manière réaliste les précipitations au niveau du site [21, 22]. Cette étude ne prend en compte que les changements climatiques, alors que l'utilisation des sols, la population et les infrastructures sont supposées constantes. Par conséquent, les résultats ne sont pas des prédictions, mais une évaluation isolée de l'impact du changement climatique sur l'infrastructure existante et du potentiel de BGI pour l'atténuer. Pour plus de détails sur les séries chronologiques des précipitations et le traitement des données, voir Cavadini et al. [21].
La figure 3 montre que toutes les combinaisons d'IGM réduisent les volumes de MWE, mais que la réduction annuelle moyenne varie de 8% (GD) à 88% (VF+SB+RT). Le choix et la combinaison des types de BGI sont donc essentiels pour obtenir une réduction maximale des MWE. Les combinaisons avec des surfaces d'infiltration (VF), telles que VF+SB+RT ou VF+SB+GD+RT, permettent d'obtenir les réductions de volume les plus élevées en raison de l'infiltration de la pluie, au lieu de son évacuation. Certains types de BGI, à l'exception de VF, obtiennent de moins bons résultats. VF peut être mis en œuvre sur une plus grande surface et atteint une infiltration et une capacité de rétention élevées. Les GD ont la réduction de volume la plus faible, car la plupart d'entre eux ne possèdent qu'une petite couche de stockage.
Tous les scénarios d'IGB ne réduisent cependant pas la fréquence des MWE. La réduction de la fréquence varie fortement selon la combinaison de BGI : d'une réduction de 85% (VF et VF+SB) à une augmentation de 35% (RT et GD+RT). Les types d'IGB individuels tels que SB et GD ont peu d'influence sur la fréquence, tandis que RT augmente le nombre de jours de MWE en prolongeant l'afflux dans le système de canaux mixtes. Il en résulte un plus grand nombre de jours de déversements d'eaux mixtes, mais des événements MWE plus petits en termes de volume. Ce résultat est basé sur les paramètres BGI choisis pour RT [9-11, 23]. Une adaptation de la conception de la RT en augmentant les volumes de rétention pourrait conduire à une plus grande réduction des MWE.
Les solutions les plus efficaces pour réduire à la fois le volume et la fréquence des MWE sont VF, VF+SB, VF+RT et VF+SB+RT. Ces scénarios de BGI entraînent des coûts différents (voir encadré).
Les résultats sont une estimation du potentiel de BGI. Il n'a pas été examiné en détail si et dans quelle mesure ces BGI sont également réalisables dans la réalité.
Pour le biocide diuron, les mesures ont montré une variabilité spatiale. Le site de mesure situé dans la zone résidentielle présente la concentration médiane la plus élevée de diuron (0,05 µg l-1), suivi du centre-ville (0,013 µg l-1) et de la zone industrielle (0,005 µg l-1). Ces différences spatiales ont été prises en compte dans le modèle en attribuant des charges de diuron différentes aux utilisations du sol par bassin versant.
Les concentrations dans les eaux usées routières et dans les eaux usées urbaines ont été recalculées au moyen des concentrations mesurées dans les eaux usées mixtes. Celles-ci étaient de 0,14 μg l-1 pour le 6PPD-q et le HMMM issus de l'abrasion des pneus et de1,7 μg l-1 dans les eaux de ruissellement des routes et sont comparables aux données de la littérature [24, 25]. La concentration calculée de DPG dans le ruissellement routier de 5,6 μg l-1 est plus élevée que celle indiquée dans la littérature [26], ce qui suggère que le DPG pourrait avoir d'autres sources urbaines dans le bassin versant échantillonné. Le flux dans les eaux usées pour le diclofénac est de 0,54 mg E-1 d-1, ce qui est dans la fourchette des concentrations attendues [27].
Les résultats de la modélisation montrent clairement que, pour les substances considérées qui sont lessivées par les surfaces urbaines, les rejets d'eaux pluviales (RWE) contribuent proportionnellement plus au flux total délesté dans les eaux de surface. Pour la zone étudiée, cela est visible pour la substance 6PPD-q issue de l'usure des pneus dans la figure 4. Dans le statu quo, la part de la charge qui arrive dans les eaux de surface via RWE est supérieure de 20% à la charge délestée via MWE. Et ce, bien que la part des surfaces dans le système de séparation ne soit que de 39%. En conséquence, les résultats montrent que pour le MV issu du ruissellement de surface, les IGB dans le système séparatif sont plus efficaces que les IGB dans le système unitaire. C'est ce que montre la figure 4 pour le 6PPD-q (les réductions de charge dans la boîte TS à l'extrême droite sont plus importantes que dans l'avant-dernière boîte MS). En revanche, pour les substances qui sont exclusivement évacuées par les eaux usées, seules les mesures prises dans le système mixte sont pertinentes (ex. diclofénac dans Fig. 4).
La charge en MV rejetée annuellement dans les eaux de surface est influencée par le choix du type d'IGB. Alors que les toits verts ont un impact minimal sur tous les flux de MV rejetés avec une réduction maximale de 8%, les surfaces d'infiltration (VF) sont les plus efficaces avec une réduction de plus de 80% du flux de MV rejeté. Les revêtements perméables (SB) et les bassins de rétention (RT) entraînent une réduction similaire de la charge MV, avec une réduction de 18% pour SB et de 15% pour RT mis en œuvre dans le système mixte.
Les différences entre les types de BGI sont également dues aux différents paramètres hydrauliques choisis pour les systèmes. Les BGI avec infiltration entraînent une plus grande réduction de la charge en raison de la réduction du débit. Dans ce contexte, on ne sait pas encore ce qu'il advient des MV dans l'infiltration. D'autres études sont nécessaires à ce sujet.
En tenant compte de la dilution dans les eaux de surface, les concentrations de MV calculées dépassent, dans le statu quo, les critères de qualité environnementale aigus pour les substances 6PPD-q, DPG, diuron et diclofénac (RQ > ; 1), sachant qu'il n'existe actuellement aucune valeur limite environnementale aiguë pour le 6PPD-q, le HMMM et le DPG et que des estimations ont été faites sur la base de données bibliographiques. Il convient donc de vérifier le dépassement calculé lorsque des critères de qualité environnementale fiables sont disponibles.
Par rapport au statu quo, les IGB réduisent le RQ calculé dans les eaux de surface. Les VF réduisent le plus le RQ pour tous les MV, avec une réduction de 47% à 93% des heures avec un RQ > ; 1.Pour les MV dans le ruissellement de surface, le RQ est le plus fortement réduit lorsque les BGI sont appliquées dans l'ensemble du bassin versant (TS + MS), suivi par l'application uniquement sur les surfaces dans le système de séparation. En revanche, le RQ du diclofénac est amélioré uniquement par l'application de BGI dans le système unitaire.
La figure 5 montre la réduction des volumes de MWE et de la fréquence dans des conditions climatiques futures pour des types de BGI individuels. Le changement climatique devrait avoir un impact significatif sur les MWE, car une augmentation des volumes de MWE (premier panel, Fig. 5) est attendue en raison de l'augmentation de l'intensité des précipitations et de l'augmentation de la quantité annuelle de précipitations. Le volume annuel moyen de MWE pourrait augmenter de 32% à 92% selon le scénario climatique. La fréquence moyenne annuelle des MWE pourrait varier de -22% à +52%.
Seul VF peut réduire à la fois les volumes et la fréquence des MWE pour tous les modèles climatiques (dans la figure 5, tous les points de données se trouvent dans le quadrant inférieur gauche). Ces résultats ont confirmé l'efficacité de la VF même dans des conditions climatiques futures. L'efficacité des différents types de BGI varie fortement entre les modèles climatiques. Les RT sont efficaces lors d'épisodes pluvieux intenses et de courte durée, mais leur efficacité diminue lors d'épisodes pluvieux plus longs, car l'eau de pluie stockée est dirigée vers le système unitaire sur une plus longue période. En revanche, les VF donnent de bons résultats dans tous les scénarios climatiques et peuvent atténuer l'impact du changement climatique. Les résultats montrent donc que les BGI peuvent aussi contribuer de manière significative à la réduction des MWE dans un climat futur.
En résumé, les BGI peuvent obtenir une réduction substantielle des volumes et des charges de MV rejetés ainsi que des quotients de risque dans les eaux de surface. L'efficacité dépend du type de BGI choisi. Dans les variantes étudiées, ce sont surtout les surfaces d'infiltration (VF) qui permettent une réduction substantielle de la pollution des eaux de surface. Les toits verts, en revanche, ont peu d'influence sur les rejets.
D'une manière générale, il apparaît que toutes les mesures de BGI entraînent une réduction des volumes de MWE. Cependant, certains types de BGI pourraient augmenter la durée des déversements. Les combinaisons qui incluent des surfaces d'infiltration sont particulièrement efficaces, car elles réduisent à la fois les volumes et la fréquence des MWE. Cela est dû à la grande surface disponible, à la capacité de stockage et à l'infiltration dans les eaux souterraines (pour VF et SB), ce qui entraîne des réductions considérables des déversements. Des études supplémentaires sont en tout cas nécessaires pour minimiser les apports de polluants dans tous les cours d'eau, y compris les apports dans les eaux souterraines.
Le changement climatique devrait avoir un fort impact sur les systèmes de drainage urbains existants. Les modèles climatiques étudiés montrent une tendance claire à des événements pluvieux plus intenses, qui augmenteront les volumes de MWE. Les résultats montrent que la désimperméabilisation et l'infiltration constituent une alternative attrayante au développement de bassins d'orage et autres infrastructures grises.
Les résultats présentés sont basés sur des études de modélisation pour une zone d'étude sélectionnée. Aucune mesure n'est disponible sur la quantité et la qualité de tous les MWE. Par conséquent, les résultats fournissent des indications et des tendances concernant le potentiel des MEB pour réduire les rejets de substances dans les eaux de surface. Les résultats sont basés sur la typologie urbaine et le climat de Fehraltorf. Une simple généralisation n'est pas possible. D'autres études de cas devraient être menées sur différents sites afin de mieux cerner les effets locaux du changement climatique.
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BGI - Infrastructure bleu-vert
GD - Toiture verte
MS - Système unitaire
MV - Micropolluants
MWE - DĂ©chargement des eaux mixtes
RQ - Toiture verte
MS - Système unitaire Quotient de risque
RT - Étang de rétention
RWE - Rejet d'eaux pluviales
SB - Revêtement perméable
SWMM - Stormwater Management Model
TS - Système séparatif
VF - Surface d'infiltration
VF - Surface d'infiltration
Lors de la planification des IGB, il est important de tenir compte des coûts engendrés par les différents types d'IGB par rapport à la réduction des MWE obtenue. La Figure 6 présente les coûts pour éviter 1 m³ de MWE sur la durée de vie de l'infrastructure [21]. Les coûts d'un bassin de MWE sont également indiqués à titre de comparaison. Certains types de BGI seront plus rentables que les bassins MWE à l'avenir, car ils permettent de réduire davantage de volumes de MWE pour un même coût d'investissement. Cela s'explique par l'augmentation de la pluie totale due au changement climatique. Seules quelques combinaisons BGI sont plus rentables qu'un bassin MWE dans les scénarios futurs, ce qui indique que les combinaisons BGI doivent être choisies avec soin. SB et VF sont les types de BGI les plus rentables. Les résultats présentés sont basés sur un taux de mise en œuvre de 50%, mais les coûts peuvent varier en fonction du taux de mise en œuvre. L'évaluation ne prend en compte que la réduction des volumes de MWE. Cependant, si l'on tient compte des avantages multifonctionnels des IGB, tels que la protection contre les inondations, la réduction de la chaleur, la promotion de la biodiversité et l'amélioration du bien-être, les résultats pourraient changer en faveur des types d'IGB qui offrent des avantages multifonctionnels plus complets.
Nous remercions l'ensemble du département de gestion des eaux urbaines de l'Eawag, en particulier l'équipe du laboratoire d'hydrologie urbaine de terrain (UWO), qui a mis en place et entretenu le réseau de capteurs, ainsi que tous les chercheurs qui ont continué à développer le modèle SWMM. Nous remercions tout particulièrement Max Maurer, Andri Bryner et Christoph Ort pour leurs précieux commentaires sur l'article. Nous remercions également Viviane Furrer pour la mise à disposition de ses données de mesure sur les micropolluants. Nous tenons également à remercier le groupe de recherche sur la modélisation climatique de l'EPFZ pour la mise à disposition des projections climatiques, ainsi que Patrick Stettler et Trang Nguyen pour leur aide dans la préparation des données climatiques.
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