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[modifier] Contexte : pourquoi gérer les eaux pluviales au plus près de leur point de chute ?

[modifier] Quelques fondamentaux sur le cycle de l'eau

En première approche, lors d'un événement pluvieux, l'eau de pluie précipitée peut ([19]) :

• s'infiltrer en empruntant des chemins d'écoulement préférentiels (fissures, …), ou bien en percolant lentement à travers le sol ; l'eau de pluie contribue alors à la constitution des réserves en eau du sol et du sous-sol et peut alimenter une nappe d'eau souterraine (appelée également nappe phréatique);
• ruisseller, lorsque le sol ne peut absorber toute la pluie précipitée, ou lorsque ce dernier ne permet tout simplement pas aux eaux pluviales de s'infiltrer (cas de sols nus modifiés par les pratiques agricoles, de sols recouverts de matériaux quasi imperméables tels que le bitume ou le béton); l'eau de pluie peut alors s'écouler et rejoindre un cours d'eau ou un plan d'eau, s'infiltrer dans le sol ou être évapotranspirée plus en aval;
• être évapotranspirée, c'est-à-dire retourner sous forme de vapeur d'eau dans l'atmosphère, sous l'action d'un rayonnement solaire ou de la transpiration des végétaux.

L'importance relative de ces trois composantes (infiltration, ruissellement, évapotranspiration) varie notamment selon la topographie, la pédologie (infiltration superficielle), la géologie locale (infiltration profonde) et l'occupation des sols (zones urbaines, terres agricoles, ...). Pour une même zone géographique, cette répartition dépend également de la nature de l'événement pluvieux (durée, intensité) et de l'état initial des terrains (état de surface, teneur en eau). Un exemple de bilan hydrologique est présenté sur la Figure 1.

[modifier] Incidences de l'urbanisation sur le cycle de l'eau

Le développement de l'urbanisation peut modifier profondément l'occupation des sols. L'imperméabilisation de ces derniers accroît le ruissellement des eaux pluviales (Photo 1), au détriment de l'infiltration, voire de l'évapotranspiration, qui sont réduites par la disparition de surfaces de pleine terre et d'espaces végétalisés.

Lors d'un événement pluvieux, les volumes et débits ruisselés sur un secteur donné sont alors plus importants après urbanisation, comme l'illustre la Figure 2.

[modifier] Limites de la conception traditionnelle de l'assainissement urbain

En zones urbanisées, ce déséquilibre grandissant entre les différentes composantes du bilan hydrologique local (infiltration, ruissellement, évapotranspiration) a conduit de nombreuses collectivités à faire face à partir des années 1970 et 1980 à des difficultés liées au ruissellement urbain.

En effet, les volumes d'eau ruissellés, toujours plus importants, pouvaient engorger les réseaux d'assainissement existants et les saturer, provoquant ainsi des débordements et des inondations plus ou moins localisés ([18]). Ce fût par exemple le cas lors des inondations survenues entre 1969 et 1972 sur le District Urbain de Nancy ([20]). Par ailleurs, ces problématiques techniques se doublent généralement d'une problématique économique (coût des études et des programmes d'actions menés par les collectivités).

Ce volet hydraulique de la gestion des eaux pluviales (prévention et gestion des débordements des réseaux d'assainissement et des inondations) est complété à partir des années 1990 par la prise en compte des pollutions pouvant être véhiculées par les eaux pluviales vers les milieux récepteurs ([18], [24]) :

• dans le cas de systèmes d'assainissement unitaires, c'est-à-dire collectant à la fois les eaux usées domestiques et les eaux pluviales, cet apport de pollution se manifeste lors du fonctionnement des déversoirs d'orage (Photo 2). Ces ouvrages ont pour but de délester le réseau d'assainissement et d'éviter un dysfonctionnement trop important de la station de traitement des eaux usées non-dimensionnée pour traiter les surplus d'eaux pluviales. Ces déversements, mélanges d'eaux pluviales et d'eaux usées, apportent des pollutions particulaire, organique, azotée, voire phosphorée, directement au milieu naturel, sans traitement préalable;
• dans le cas de systèmes d'assainissement séparatifs, c'est-à-dire collectant indépendamment les eaux usées domestiques et les eaux pluviales, cet apport de pollution se manifeste par le rejet direct des eaux pluviales dans le milieu naturel (Photo 3), sans traitement préalable (décantation, filtration). En effet, en ruisselant sur les surfaces urbaines (toitures, voiries, parkings), les eaux pluviales se chargent de différentes sources de pollution (matières en suspension, métaux, hydrocarbures, matières organiques). Cette pollution est différente de celle véhiculée par les eaux usées.

Ces apports de pollution aux milieux aquatiques peuvent avoir d'importantes conséquences sur la qualité et la survie des écosystèmes qui s'y trouvent, mais également sur la qualité de l'eau en tant que telle ([21], [25]). Cette prise de conscience a été accrue par le renforcement de la réglementation à partir du début des années 1990 (Directive européenne Eaux Résiduaires Urbaines de 1991 – DERU, Loi sur l'Eau de 1992, Directive européenne Cadre sur l'Eau de 2000 – DCE et, plus récemment, Loi sur l'Eau et les Milieux Aquatiques de 2006 – LEMA, Loi Grenelle II de 2010 précisant la compétence « eaux pluviales » des collectivités).

[modifier] Comment tendre vers une gestion à la source des eaux pluviales ?

[modifier] Limiter, réduire et compenser les effets de l'imperméabilisation des sols

Face aux constats précédemment cités (inondations, épisodes de pollution), plusieurs collectivités locales en France, mais également à l'étranger, appuyées par des organismes scientifiques et partenaires locaux, ont souhaité penser autrement la gestion des eaux pluviales. Les grands principes suivants se sont ainsi développés :

• limiter l'imperméabilisation des sols afin de conserver des zones aptes à l'infiltration des eaux pluviales et de limiter les apports complémentaires aux réseaux d'assainissement existants en temps de pluie,
• éviter de concentrer et d'accélérer le ruissellement naturel, en opposition à l'ancienne approche hydraulique visant à canaliser systématiquement les eaux pluviales,
• dans les secteurs où cela s'avère pertinent (par exemple, en amont d'une zone sensible au risque de ruissellement), créer des rétentions permettant le stockage des eaux pluviales et leur restitution différée,
• favoriser la récupération des eaux de pluie (toitures) en vue d'une utilisation.

Les collectivités disposent alors de plusieurs outils pour mettre en place une politique de gestion des eaux pluviales sur leur territoire : schéma directeur d'assainissement et zonage pluvial, règlement d'assainissement et plan local d'urbanisme [11], taxe pour la gestion des eaux pluviales urbaines [17]. Au niveau d'un projet d'aménagement, ces principes peuvent se concrétiser par le recours à différents ouvrages de gestion des eaux pluviales.

[modifier] Les grandes familles d'ouvrages de gestion à la source des eaux pluviales

Les bassins de stockage sur réseaux d'assainissement unitaires, ou à l'exutoire des réseaux d'assainissement pluviaux, ont été les premiers ouvrages développés ([23]). Par exemple, sur le territoire actuel du Grand Nancy, ce sont 23 bassins de rétention qui ont été construits entre 1970 et 1995 (dont 12 à ciel ouvert) pour pallier aux importants apports de ruissellement en provenance des coteaux (territoire en cuvette). Nombreuses sont les collectivités à avoir ainsi développé un important parc de bassins de rétention, à l'image de la Ville de Saint-Etienne, de la Communauté Urbaine de Strasbourg, du Grand Lyon ou du Département de la Seine-Saint-Denis. Les bassins peuvent être à ciel ouvert ou enterrés (Photos 4 et 5), secs ou en eau, c'est-à-dire présentant une hauteur d'eau permanente laissée à des fins d'agrément ou d'accueil de biodiversité.

Ces ouvrages de grandes tailles ont progressivement été complétés par des techniques de rétention, ou d'infiltration, de plus petites tailles. Ces techniques, appelées « techniques alternatives » (aux réseaux d'assainissement) ou « techniques compensatoires » (à l'imperméabilisation des sols) dans les années 1990, sont aujourd'hui consacrées par le fascicule 70 – II du CCTG relatif aux ouvrages de recueil, stockage et restitution des eaux pluviales ([26]).

Cette diversité d'ouvrages vise une meilleure prise en compte des contraintes locales (emprises disponibles, profondeur des horizons de sol perméables, …). Elle comprend ([2], [5], [15]) :

• les fossés et noues végétalisés, ces dernières étant de larges fossés, peu profonds, aux formes adoucies (Photo 6),
• les tranchées drainantes, ouvrages superficiels comblés de matériaux poreux (Photo 7),
• les puits d'infiltration, ouvrages plus ou moins profonds permettant le transit des eaux pluviales vers un horizon de sol plus apte à l'infiltration (Photo 8),
• les chaussées à structure-réservoir, permettant un stockage temporaire des eaux pluviales dans le corps poreux de la chaussée (Photo 9),
• les toitures stockantes, parmi lesquelles les toitures terrasses végétalisées(Photo 10),
• les jardins de pluie, à savoir une « dépression plantée, créée pour récupérer l'excès de ruissellement d'une maison ou d'un autre bâtiment et de son environnement paysager » (Photo 11).

Pour l'ensemble de ces techniques, à l'exception des toitures stockantes :

• le recueil des eaux pluviales se fait par collecte diffuse (ruissellement, revêtements poreux perméables) ou par injection localisée (avaloirs et/ou réseaux d'eaux pluviales),
• la restitution des eaux pluviales se fait par infiltration dans le sol support et/ou par rejet dans les eaux superficielles ou le réseau d'assainissement de la collectivité à débit contrôlé.

Des collectivités pionnières ont expérimenté ces techniques dès les années 1980 ou 1990 : Communauté Urbaine de Bordeaux, Communauté Urbaine du Grand Lyon, Communauté d'Agglomération du Pays de Montbéliard, Communauté d'Agglomération du Douaisis, Toulouse Métropole Communauté Urbaine, ... ([7], [8], [9], [10], [13], [22]).

A l'étranger, ces techniques sont connues sous le nom de Sustainable Urban Drainage Systems (Royaume-Uni), Water Sensitive Urban Design (Australie) ou font partie des Best Managament Practices aux Etats-Unis.

[modifier] Les matériaux de surface et de stockage

Parmi les matériaux de stockage pouvant être utilisés dans le cas d'ouvrages enterrés et/ou comblés se trouvent les Graves Non traitées Poreuses, les produits creux en béton, les Structures Alvéolaires Ultra-Légères (Photo 9), etc. présentant différents taux de vide, résistances mécaniques et coûts ([4], [14], [26]).

Parmi les matériaux de surface permettant la réalisation de surfaces perméables se trouvent les pavés, les dalles, les matériaux non traités poreux, les Bétons de Ciment Poreux, les Bétons Bitumineux drainants, les agglomérés ([26]).

Les méthodes de dimensionnement hydraulique des ouvrages de stockage (volume à stocker pour une pluie donnée) ne sont pas présentées dans cet article. Le lecteur pourra se référer à [2], [14], [16b] et [23].

[modifier] Aller plus loin en valorisant les eaux pluviales dans l'aménagement

Les ouvrages présentés ci-dessus peuvent contribuer à la valorisation de l'eau dans l'aménagement (ouvrages à ciel ouvert, éventuellement végétalisés). Une fonction paysagère, ou récréative (cas d'un bassin d'agrément en eau – Photo 12), peut s'avérer déterminante au bon entretien des ouvrages, et donc à leur pérennité ([1], [23]).

Plus largement, les eaux pluviales peuvent également constituer une ressource pour répondre à différents besoins : support de nature en ville, fil conducteur aux trames vertes et bleues urbaines, constitution d'une ressource en eau alternative à certains usages tels que l'arrosage, contribution à l'atténuation des îlots de chaleur urbains par l'abaissement localisé des températures ([6]).

[modifier] Intégrer la notion de niveau de service dès la conception des systèmes de gestion des eaux pluviales

Pour éviter désormais de dissocier la conception de l'assainissement des domaines de l'aménagement urbain et de la gestion des milieux naturels, le référentiel La Ville et son Assainissement a défini plusieurs principes généraux pour la réalisation de nouveaux systèmes de gestion des eaux pluviales ([18]) :

• intégrer l'eau dans l'urbanisme et la respecter,
• prendre en compte l'impact des rejets urbains sur les milieux récepteurs,
• inscrire la programmation de l'assainissement dans une démarche pérenne,
• concevoir des systèmes modulables qui fonctionnement dans toutes les conditions météorologiques (des petites aux fortes pluies),
• déconnecter les eaux pluviales des réseaux d'assainissement,
• prendre en compte la gestion future des ouvrages dès leur conception.

Le référentiel introduit ainsi la notion de niveaux de service rendus par le système de gestion des eaux pluviales d'un aménagement (une ZAC par exemple). Le niveau de service N1 correspond à l'objectif premier de maîtrise des pollutions associées aux rejets d'eaux pluviales dans le milieu aquatique lors des pluies faibles. A l'opposé, le niveau de service N4 correspond à l'objectif premier de protection des personnes et des biens lors des pluies exceptionnelles (Figure 3). Les seuils séparant ces différents niveaux de service sont exprimés en périodes de retour, définies en fonction des exigences et des contraintes locales.

[modifier] Quels points de vigilance en phase de conception et d'exploitation des ouvrages ?

Le recours aux ouvrages de gestion des eaux pluviales précédemment présentés nécessite d'adapter la portée des études préalables, en particulier des études de sol. Il s'agit notamment d'intégrer ([2], [3], [16b]) :

• la possibilité de restituer les eaux pluviales par infiltration dans le sol; ce point nécessite une connaissance du contexte hydrogéologique et l'évaluation de la vulnérabilité des eaux souterraines;
• la diversité des ouvrages qui peuvent être sollicités, en termes de formes géométriques et de profondeurs de mise en œuvre (ouvrages superficiels tels qu'une noue végétalisée, ouvrages profonds tels qu'un puits d'infiltration);
• les contraintes mécaniques pouvant s'exercer sur des ouvrages enterrés, tels qu'un bassin de stockage mis en œuvre sous voirie, ou une tranchée drainante.

En phase d'exploitation, afin de garantir le bon fonctionnement et la pérennité des ouvrages, on veillera notamment à ([1], [7]) :

• définir les responsabilités et compétences de chaque intervenant dès la phase amont du projet,
• mettre en place des actions de communication et de sensibilisation auprès des professionnels, mais également des usagers,
• assurer le suivi de la connaissance patrimoniale des ouvrages,
• définir une programmation claire des opérations de suivi et d'entretien des ouvrages.

Références

[1] Agence de l’Eau Seine-Normandie (AESN), Composantes Urbaines, Leesu (2011). Outil de bonne gestion des eaux de ruissellement en zones urbaines - Document d'orientation pour une meilleure maîtrise des pollutions dès l'origine du ruissellement. Sur demande sur le site Web de l’AESN.
[2] Azzout Y. et al. (1994). Techniques alternatives en assainissement pluvial : choix, conception, réalisation et entretien, TEC et DOC, 372 p.
[3] Barraud S. et al. (2009). L’infiltration en questions - Recommandations pour le faisabilité, la conception et la gestion des ouvrages d’infiltration des eaux pluviales en milieu urbain. Programme MGD Infiltration – RGCU, version 2, 63 p. [en ligne].
[4] Certu (1999). Chaussées Poreuses Urbaines, Guide technique, 150 p.
[5] Certu et al. (2008). L'assainissement pluvial intégré dans l’aménagement – Éléments clés pour le recours aux techniques alternatives, édition 2008, 196 p.
[6] Claverie R. et al. (2011). Micro-climatologie urbaine et gestion des eaux pluviales. Etat des connaissances sur l'îlot de chaleur urbain, 41 p. (non publié).
[7] Communauté d’Agglomération Hénin-Carvin (2009). Intégrer la gestion des eaux pluviales dans les aménagements. Guide pratique. [en ligne].
[8] Communauté Urbaine de Bordeaux (1999). Les solutions compensatoires d'assainissement pluvial: guide de réalisation. Janvier 1999, 91 p. (hors annexes).
[9] Communauté Urbaine du Grand Toulouse (2009). Guide de gestion des eaux de pluie et de ruissellement, Version de 2009, 102 p. [en ligne].
[10] Conseil Général des Hauts-de-Seine (s/d). Fiches pratiques et guides techniques sur la gestion des eaux pluviales [en ligne].
[11] GRAIE (2009). Guide pour la prise en compte des eaux pluviales dans les documents de planification et d’urbanisme, Version 1, 81 p. [en ligne].
[12] GRAIE (2011). Eléments pour l’élaboration d’un schéma directeur de gestion des eaux pluviales adapté au contexte local, Version 1, 78 p. [en ligne].
[13] Grand Lyon (2008). Aménagement et eaux pluviales sur le territoire du Grand Lyon - Guide à l’usage des professionnels, 51 p. [en ligne].
[14] IFSTTAR, Certu (2011). Les Structures Alvéolaires Ultra-Légères (SAUL) pour la gestion des eaux pluviales, Editions IFSTTAR, 170 p. Site Internet d'information générale sur le SAUL : http://structures-alveolaires-saul.fr/
[15] Le Nouveau N. (2010). Les multiples vertus des jardins de pluie. Technicités n°199, pp. 23-24.
[16a] Ministère en charge de l'Ecologie (DGALN), Certu, Agences de l’Eau (2011). Procédures d’autorisation et de déclaration des projets d’aménagement au titre du Code de l’Environnement – Rubrique 2.1.5.0 Rejets d’eaux pluviales. Repères pour l’élaboration des dossiers Loi sur l’Eau.
[16b] Ministère en charge de l'Ecologie (DGALN), Certu, CETE (à paraître). Fiches techniques Gestion des eaux pluviales dans les projets urbains.
[17] Ministère en charge de l'Ecologie (DGALN) (2012). Mise en place de la taxe pour la gestion des eaux pluviales urbaines. Guide d'accompagnement. [en ligne].
[18] Ministère de l’Ecologie et du Développement Durable, Certu (2003). La ville et son assainissement : principes, méthodes et outils pour une meilleure intégration dans le cycle de l’eau. [en ligne].
[19] Musy A. (s/d). Cours d'hydrologie générale. Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). En ligne sur : http://echo2.epfl.ch/e-drologie/chapitres/chapitre1/main.html
[20] NanCIE – Centre International de l'Eau (1993). Les bassins de rétention des eaux pluviales – Mode d'emploi. 20 ans d'expérience au District Urbain de Nancy, NanCIE, 224 p.
[21] Parent-Raoult C., Boisson J-C. (2007). Impacts des rejets urbains de temps de pluie (RUTP) sur les milieux aquatiques : État des connaissances. Revue des sciences de l'eau / Journal of Water Science, vol. 20, n° 2, 2007, p. 229-239. [en ligne]
[22] Pays de Montbéliard Agglomération (2011). Le guide des eaux pluviales. Version 2011, 11 p. [en ligne].
[23] STU, Agences de l'Eau (1994). Guide Technique des bassins de retenue d'eaux pluviales, TEC et DOC, 275 p.
[24] Valiron F., Tabuchi J-P. (1992). Maîtrise de la pollution urbaine par temps de pluie. Etat de l'art. TEC et DOC, 565 p.
[25] Durrieu C., Chouteau C. et al. (en préparation). Rapport d’étude sur les effets des rejets pluviaux sur les milieux aquatiques.
Fascicules du CCTG
[26] Bulletin officiel (2003), Fascicule 70 du CCTG – Ouvrages d’assainissement : Titre I – Réseaux – Titre II - Ouvrages de recueil, de stockage et de restitution des eaux pluviales.

Auteur du texte : Aurélie GEROLIN – CETE de l'Est – Laboratoire Régional de Nancy