Assessment of soil contamination in Sustainable Urban Drainage Systems (SUDS) through experimental and modelling approaches

L'essor que connaît aujourd'hui la gestion intégrée des eaux pluviales s'accompagne d'un recours croissant à des techniques favorisant l'infiltration de l'eau “à la source”, disséminées sur des bassins versants urbains. Néanmoins, de telles pratiques suscitent des interrogations sur la capacité du sol à jouer le rôle de “filtre” vis-à-vis des polluants présents dans le ruissellement. Ces travaux de thèse s'intéressent à la contamination du sol par les métaux et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans ces dispositifs, avec trois objectifs : (i) évaluer les niveaux et l'étendue spatiale de la contamination, (ii) mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent le devenir de ces contaminants dans le sol des ouvrages, et (iii) proposer des recommandations sur la conception et la maintenance de ces installations, afin de leur assurer un fonctionnement épuratoire durable.La première partie du travail consiste en une série d'investigations expérimentales sur dix sites d'étude aux caractéristiques contrastées, en service depuis plus de dix ans. Cette phase donne lieu à des cartographies de la contamination superficielle en éléments traces métalliques, puis à des profils verticaux de métaux et HAP, accompagnés de différentes variables explicatives. La distribution spatiale des métaux en surface, qui est toujours structurée autour de la zone d'arrivée de l'eau, porte la signature du fonctionnement hydraulique réel des dispositifs, et révèle le caractère non-uniforme de l'infiltration lors des événements pluvieux courants, qui représentent la plus grande partie du flux polluant à l'échelle annuelle. Dans la zone la plus contaminée des ouvrages, métaux et HAP présentent un enrichissement significatif sur 10 à 40 centimètres de profondeur. La rétention des contaminants résulte de la combinaison de processus physico-chimiques (adsorption) et mécaniques (sédimentation et filtration) ; leur importance relative peut être quantifiée grâce au déficit de zirconium dans le sédiment urbain par rapport au bruit de fond géochimique local. La variabilité inter-sites des niveaux de contamination s'explique à la fois par les capacités de rétention du sol et par les flux de polluants issus du bassin versant d'apport. Bien que les teneurs de surface excèdent, sur certains sites, les seuils internationaux de remédiation du sol pour des espaces “multifonctionnels”, la zone concernée représente — latéralement et verticalement — une région assez limitée dans les ouvrages.La seconde partie de la thèse consiste en une approche de modélisation, dont la finalité est de décrire l'évolution à long terme de la contamination du sol, et d'évaluer l'incidence de différentes pratiques de conception ou de gestion. Une analyse de sensibilité est d'abord mise en œuvre afin d'identifier les “éléments-clés” dans la description du système, et d'orienter le choix du modèle. Les résultats montrent qu'une mauvaise estimation de la dispersivité ou de l'isotherme d'adsorption du sol est susceptible de biaiser significativement la prévision des profils de contamination. Dans la suite du travail, on propose une méthode visant à décrire l'infiltration non-uniforme et la filtration des polluants particulaires. Le modèle ainsi construit est validé via une comparaison entre mesures et simulations sur l'un des sites d'étude faisant l'objet d'une nouvelle caractérisation approfondie. Enfin, une analyse de scénarios illustre les bénéfices d'un amendement de l'horizon superficiel par un matériau adsorbant, ainsi que d'une répartition homogène des flux d'eau en surface, en matière de durée de vie des installations et de fréquence d'intervention.Sustainable Urban Drainage Systems (SUDS) are increasingly used for stormwater management. However, the generalization of runoff infiltration in urban watersheds raises some concerns regarding the soil's ability to retain ubiquitous micropollutants. The present work addresses soil contamination by trace metals and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in such infiltration devices, with the aims of: (i) appraising the levels and spatial extent of soil contamination, (ii) better understanding the mechanisms which govern the fate of contaminants in these systems, and (iii) identifying design and maintenance guidelines which may enhance long-term pollutant control through SUDS.The first part of the study consists in a series of experimental investigations in ten contrasting study sites, which have been in operation for more than ten years. The two-stage methodology successively leads to cartographies of metal contamination in the surface soil, and vertical profiles of metal and PAH concentrations, along with different explanatory variables. The spatial distribution of trace metals in the upper horizon displays a systematic structure with respect to the inflow area, and bears the time-integrated signature of the infiltration fluxes and flow pathways at the surface. In the most contaminated zone of the facilities, a significant enrichment of metals and PAHs is detectable until 10 to 40 cm depth. Contaminant retention results from the combination of different physicochemical and mechanical processes (resp. sorption and sedimentation/filtration), the contribution of which can be assessed via the zirconium deficit in urban sediment in comparison to the soil's geochemical background. The inter-site variability of contamination levels is attributable to (i) differences in the soil's retention capacities, and (ii) differences in pollutant loads from the watershed. Although surface contents may exceed intervention thresholds for “multi-functional” spaces in several study sites, the area which would require soil remediation is laterally and vertically limited.These experimental assessments are complemented by a modelling approach, to describe the long-term evolution of soil contamination, and to evaluate the effect of various SUDS designs and maintenance operations. A sensitivity analysis is first carried out so as to identify the “key elements” in the system description: the results show that a wrong estimation of the soil's dispersivity or sorption isotherm is likely to induce significant biases in the predicted contamination profiles. A method is then proposed to describe non-uniform water infiltration fluxes, and the filtration of particle-bound contaminants. The model is validated via a comparison between measured and predicted metal profiles in one of the study sites, where a comprehensive soil characterization is undertaken. Finally, a “scenario analysis” illustrates the benefits of (i) using soil enrichment products with enhanced sorption capacities, and (ii) facilitating water spreading at the surface, in terms of “lifespan” of the devices and maintenance requirements