La population européenne est par excellence urbaine. Les européens ont clairement affiche leur volonté pour l'amélioration de la qualité de la vie urbaine. Quand les autres sources de pollution sont maîtrisées, les eaux pluviales deviennent la source principale de pollution en zone urbaine. Parallèlement les inondations dues au ruissellement deviennent de plus en plus importantes en raison de l'imperméabilisation de la surface des bassins versants urbanises. Les techniques alternatives peuvent aider à résoudre plusieurs problèmes (qualité des milieux récepteurs, qualité de vie, ressources en eau, inondations urbaines) mais elles nécessitent le changement du paradigme technique "hygiénistique" pour établir un nouveau paradigme de "gestion à la source". Ceci entraîne plusieurs changements d'ordre organisationnel. L'assainissement des eaux pluviales redevient une affaire "publique" et les ouvrages visibles. La mise en œuvre de techniques alternatives dépendent de bien d'autres facteurs que les facteurs techniques. Notre étude a eu pour objectif d'analyser et de comparer la gestion de l'eau pluviale et surtout l'application des techniques alternatives dans sept pays européens (Suède, Danemark, Pays-Bas, Allemagne, France, Royaume-Uni, Grèce), sur les plans contextuel (liens avec d'autres secteurs techniques et politiques) et organisationnel et dans la mise en place des politiques publiques. Le pays choisis partagent une histoire technique et ont un patrimoine urbain semblable. Ils sont tous membres de l'union européenne dont la volonté politique est l'harmonisation, technique et organisationnelle, de la gestion de l'eau. La recherche a conduit a préciser les facteurs déterminants pour la mise en œuvre des techniques alternatives et a proposer des actions pour la promotion des techniques alternatives en Europe.

Les structures réservoirs se développent de plus en plus pour réduire les débits de ruissellement urbain et par voie de conséquence les risques d'inondations. Elles améliorent aussi la qualité des eaux rejetées dans les milieux naturels par temps de pluie. L'analyse fine du fonctionnement hydraulique de ces structures met en évidence de nombreux mécanismes faisant l'objet d'une étude bibliographique. Des systèmes diffusants sont souvent utilisés pour injecter les eaux de surfaces imperméabilisées voisines sans débordement et assurer leur bonne répartition spatiale, or leur fonctionnement est mal connu. Une approche de ce problème est d'abord réalisée en régime permanent, expérimentalement et numériquement en ne prenant en compte que le dispositif de diffusion sans le matériau poreux environnant. Puis une simulation des écoulements dans ce matériau est présentée, en particulier lorsque plusieurs réservoirs en cascade sont construits. Enfin un modèle simplifié des dispositifs de diffusion est proposé et permet leur couplage avec le milieu environnant à l'aide d'un code de calcul par éléments finis d'hydrodynamique souterraine.

Les rejets urbains par temps de pluie entraînent des dégradations importantes dans les milieux récepteurs où ils sont rejetés sans traitement préalable. Parmi les campagnes de mesure françaises, effectuées depuis les années 70 à l'exutoire de bassins séparatifs ou unitaires, 17 d'entre elles ont été sélectionnées pour être intégrées dans la base de données constituée au CERGRENE avec l'aide financière de l'Agence de l'Eau Seine-Normandie. Son exploitation a pour objectifs de caractériser la pollution rejetée par temps de pluie (évaluation de masses annuellement rejetées, identification des caractéristiques des événements pluvieux les mieux reliées aux concentrations et aux masses par événement, description des événements les plus pollués, répartition de la masse en cours d'écoulement) et de fournir des éléments sur les dimensions des ouvrages de traitement. Il a fallu tout d'abord reconstituer les caractéristiques des événements pluvieux qui manquaient (volume écoulé, concentration moyenne ou masse produite). Pour cela, des équations de régression ont été établies site par site. Les ajustements obtenus ne sont pas tous de bonne qualité, à cause du nombre réduit de mesures disponibles ou du type des événements utilisés. Quand ils ne sont pas représentatifs de l'ensemble des événements de la campagne, la fiabilité des équations n'est pas assurée et leur domaine d'application ne contient pas tous les événements. Les masses annuelles ont pu être évaluées pour chaque site grâce aux reconstitutions précédentes. L'emploi des équations de régression a permis d'établir des intervalles de confiance autour des valeurs. Ces intervalles sont souvent très larges, et le nombre de sites est assez restreint. Par conséquent, la seule relation qui apparaît est celle qui est la plus évidente et qui existe entre les masses annuelles et les surfaces des sites. Concernant la répartition des masses de pollution en cours d'écoulement, leur forme est très variable d'un événement à un autre, sur un site donné. En moyenne, la pollution contenue dans la première partie de l'écoulement est légèrement supérieure à celle de la deuxième partie. Il y a néanmoins un nombre non négligeable d'événements pour lesquels la majeure partie de la masse de pollution est rejetée en fin d'écoulement. Lorsqu'on compare les sites, la pollution contenue dans les premiers flots (dans 20% de l'écoulement) varie sur les sites unitaires dans des intervalles qui sont les mêmes que sur les sites séparatifs. Pour traiter les rejets urbains de temps de pluie, des ouvrages de décantation (par stockage ou par traitement au fil de l'eau) sont reconnus être des outils efficaces. Nous avons calculé la masse interceptée par des ouvrages fictifs en faisant varier leurs dimensions (respectivement volume de stockage ou débit de traitement suivant le type d'ouvrage). Les reconstitutions utilisées conduisent à des intervalles de confiance très larges. Les résultats dépendent de la période de retour des événements pluvieux qui ont été utilisés. En première approximation, pour intercepter 80% de la masse produite sur une durée d'environ un an, il faut des volumes de l'ordre de 100 m3/ha act ou des débits de l'ordre de 10 1/s/ha act. Pour préciser ces chiffres, il faudrait disposer de longues séries d'événement de plusieurs années. Il serait alors possible en fonction de l'objectif (par exemple intercepter l'événement dont la période de retour est fixée ou intercepter la pollution rejetée pendant une année de pluviométrie moyenne) d'indiquer quelle dimension est la plus efficace.

Cette étude comporte deux objectifs principaux. Le premier est de donner des ordres de grandeur et des gammes de variation des paramètres traduisant : (1) la taille, la masse volumique, la vitesse de chute des soudes transportés par temps de pluie à l'aval des réseaux d'assainissement; (2) la répartition, dans les rejets urbains de temps de pluie, entre pollution dissoute et pollution fixée sur ces solides, ainsi que la répartition de cette pollution entre classes de particules. Le deuxième objectif est de fournir des éclairages pour des options ou des solutions techniques visant à fonder une politique de lutte contre la pollution des rejets urbains par temps de pluie. La première partie de ce mémoire est consacrée aux questions de méthode (sélection des paramètres à mesurer, choix des sites de mesure, ajustement des procédures de prélèvement et de mesure). Nous analysons ensuite, dans la deuxième partie, les résultats obtenus au cours de neuf pluies, réparties sur quatre sites très différents par leur situation géographique, par la nature du réseau et par la dimension du bassin versant. La dernière partie aborde les trois thèmes suivants : (1) flux polluants et volumes associés ; (2) identification des sources de cette pollution ; (3) dimensionnement et mode de gestion des capacités à mettre en place pour intercepter et traiter la pollution.

Le travail présenté dans ce mémoire s'appuie sur quatre études de cas de récentes catastrophes françaises : le Grand-Bornand (1987), Nîmes (1988), Paris (1990) et Vaison-La-Romaine(1992). Après avoir fait le point sur les connaissances actuelles sur les ruissellements en milieu agricole, forestier et urbain (chapitre 1) et avoir analysé les quatre catastrophes citées et des catastrophes prévisibles (chapitre 2), nous abordons les facteurs qui nous semblent aggraver ou limiter le risque pour en arriver à une série de propositions techniques de lutte contre le ruissellement en milieu urbain (chapitre 3). Enfin, un guide méthodologique et des exemples,pour approcher le problème de la gestion de ces crues, sont proposés. Cette thèse, destinée aux aménageurs du territoire, Urbanistes, Architectes, Paysagistes et Ingénieurs de voirie, est une recherche multidisciplinaire : elle sert d'approche complémentaire aux efforts réalisés par les responsables des réseaux d'assainissement pour lutter contre les crues centennales. Le rapport pose les bases techniques élémentaires pour enclencher les moyens de lutte contre le ruissellement, sachant que cette lutte doit s'effectuer aussi bien contre la formation du ruissellement que contre ses effets, et qu'à chaque phase différente du processus de ruissellement (rétention, conduite d'écoulement, protection) correspondent différentes solutions techniques.

Les rejets urbains par temps de pluie constituent un problème majeur pour les gestionnaires de l'eau en région parisienne. Une meilleure caractérisation des matières organiques rejetées par temps de pluie permet de mieux évaluer la désoxygénation du milieu récepteur, la Seine. Un bassin versant expérimental a été choisi en proche banlieue parisienne pour étudier les eaux usées par temps de pluie. Les résultats montrent que les flux sont une fonction du cycle journalier des eaux usées et de l'intensité des pluies. En journée par temps sec, les teneurs en polluants et les débits sont plus élevés que pendant la nuit. Les flux des polluants déversés pendant la journée sont ainsi supérieurs aux flux rejetés la nuit à pluie égale. Dans les réseaux de petite taille et de faibles pentes, un dépôt de temps sec peut être remis en suspension par des pluies intenses et augmenter temporairement la charge polluante. Les matières organiques du réseau en temps sec sont mieux et plus rapidement dégradables qu'en temps de pluie. La biodégradabilité des matières en suspension dans le réseau diminue avec l'intensité des pluies en raison d'un apport de carbone faiblement dégradable par les eaux de ruissellement et les dépôts en réseau. L'effet toxique des rejets urbains de temps de pluie sur le milieu récepteur a été étudié au laboratoire sur une population mixte du phytoplancton de la Seine. Nos études montrent que les rejets peuvent diminuer la production primaire de la Seine de l'ordre de 60% après une dilution au cinquième, cette inhibition est principalement due aux micropolluants organiques et partiellement aux métaux lourds, dont le zinc. Les effets varient fortement avec la composition des rejets, la toxicité des métaux en particulier dépendant de leur état de complexation. Le comportement de la matière organique et des bactéries hétérotrophes rejetées par temps de pluie dans le milieu récepteur a été étudié en Seine après d'importants rejets du principal déversoir de la région parisienne. Lorsque la dilution du rejet est inférieure à 10%, les effets sur le milieu sont peu sensibles. Les masses d'eau usée ont pu être suivies in situ à l'aide de la conductivité et des concentrations d'oxygène. Une relation entre la quantité de carbone organique dissous biodégradable rejetée et le déficit d'02 a pu être établie. La matière organique fixée aux matières en suspension sédimente très rapidement et ne participe pas directement à la désoxygénation. La désoxygénation in situ est principalement due aux bactéries allochtones, apportées par le rejet, de taille supérieure à 1µm. Leur croissance est plus élevée que celle des bactéries fluviales, mais leur vitesse de disparition l'est aussi. Les polluants toxiques du rejet sont susceptibles de diminuer la production du phytoplancton et d'aggraver ainsi les déficits de près d'un milligramme d'oxygène voire plus en période de forte production. Ces données permettent des simulations détaillées de l'évolution de l'oxygène dissous en Seine suite aux principaux rejets de l'agglomération parisienne.

Les trois étapes distinctes de la diffusion en France des réseaux d'assainissement par dépression, c'est-à-dire leur émergence à la fin du XIXème siècle, l'absence totale de nouvelles installations entre 1935 et 1970, enfin leur réapparition dans les années 1970, coïncident avec trois événements clefs dans l'histoire de l'assainissement : la révolution pastorienne qui fait du microbe le premier acteur de l'assainissement ; la normalisation progressive du tout-à-1'égout gravitaire, officialisée avec la mise au point de la circulaire Caquot en 1949 ; et, dans les années 1970, le passage obligé de nonnes de procédés à des normes de résultats. L'étude de la diffusion de cette innovation consiste alors à montrer pourquoi une technique bannie a retrouvé aujourd'hui un nouveau droit de cité. L'analyse historique des facteurs qui ont présidé à la marginalité des premiers procédés pneumatiques révèle que la normalisation du gravitaire a eu une portée plus importante qu'une simple réglementation des tracés et des dimensionnements des conduites. Cependant, le contexte actuel de l'assainissement en France apparaît favorable au développement du réseau sous vide. Le réseau à dépression, comme système de desserte territoriale apparaît d'ailleurs comme un système d'avenir, là même où le gravitaire ne peut être installé facilement. Enfin, le jeu des acteurs industriels promoteurs du pneumatique traduit une succession d'adaptations subies et/ou "initiées" par l'ensemble des acteurs de l'assainissement. Le développement actuel du réseau par dépression ne remet pas en cause les performances des techniques traditionnelles. Il correspond plutôt à l'apparition de nouveaux besoins et de nouvelles exigences, que les procédés gravitaires et autonomes ne peuvent pas entièrement satisfaire.

Les préoccupations actuelles quant à la réduction des rejets urbains en temps de pluie ne concernent en principe guère les réseaux séparatifs de collecte des eaux usées. Pourtant les débits observés à l'exutoire de ces réseaux présentent des variations analogues à celles qui caractérisent les systèmes unitaires. Les raccordements illicites d'eaux pluviales ne sont pas la seule cause de ce comportement et les apports par infiltration y contribuent largement. Par le jeu de mécanismes complexes de drainage, les défauts d'étanchéité des réseaux, y compris ceux qui sont localisés en domaine privé, sont à l'origine de débits importants, aussi bien à l'échelle annuelle, que journalière ou même horaire. Mais ces débits restent difficiles à caractériser car ils dépendent non seulement des événements pluvieux mais de leurs antécédents et de la saison. On a donc cherché à développer un modèle permettant de simuler ces débits et à le valider à partir de mesures de terrain et d'une étude de sensibilité. Ce modèle pourrait constituer un outil intéressant pour les études diagnostic de réseau.

La gestion en temps réel (GTR) est considérée comme une solution économiquement efficace pour réduire les déversements par temps de pluie car elle optimise la capacité disponible des réseaux d'assainissement. La GTR permet d'éviter la construction de volumes de rétention supplémentaires, d'augmenter l'adaptabilité du réseau aux changements de politiques de gestion de l'eau et surtout d'atténuer l'impact environnemental des déversoirs d'orage. À la suite de l'intérêt croissant pour la GTR fondée sur la qualité de l'eau (QBR), cette thèse démontre une stratégie simple et efficace pour les charges polluantes déversées par temps de pluie. La performance de la stratégie QBR, basée sur la prédiction des courbes masse-volume (MV), est évaluée par comparaison avec une stratégie typique de GTR à base hydraulique (HBR). Une étude de validation de principe est d'abord réalisée sur un petit bassin versant de 205 ha pour tester le nouveau concept de QBR en utilisant 31 événements pluvieux sur une période de deux ans. Par rapport à HBR, QBR offre une réduction des charges déversées pour plus d'un tiers des événements, avec des réductions de 3 à 43 %. La stratégie QBR est ensuite mise en oeuvre sur le bassin versant de Louis Fargue (7700 ha) à Bordeaux, France et comparée à nouveau à la stratégie HBR. En implémentant QBR sur 19 événements pluvieux sur 15 mois, ses performances sont constantes et apportent des avantages précieux par rapport à HBR, 17 des 19 événements ayant une réduction de charge variant entre 6 et 28.8 %. La thèse évalue en outre l'impact de l'incertitude de prédiction de la courbe MV (due à l'incertitude de prédiction du modèle) sur la performance de la stratégie QBR, en utilisant un événement pluvieux représentatif. La marge d'incertitude qui en résulte est faible. En outre, l'étude de sensibilité montre que le choix de la stratégie QBR ou HBR doit tenir compte des dimensions réelles des bassins et de leur emplacement sur le bassin versant. / Real time control (RTC) is considered as a cost-efficient solution for combined sewer overflow (CSO) reduction as it optimises the available capacity of sewer networks. RTC helps to prevent the need for construction of additional retention volumes, increases the network adaptability to changes in water management policies, and above all alleviates the environmental impact of CSOs. Following increasing interest in water quality-based RTC (QBR), this thesis demonstrates a simple and nothing-to-lose QBR strategy to reduce the amount of CSO loads during storm events. The performance of the QBR strategy, based on Mass-Volume (MV) curves prediction, is evaluated by comparison to a typical hydraulics-based RTC (HBR) strategy. A proof-of-concept study is first performed on a small catchment of 205 ha to test the new QBR concept using 31 storm events during a two-year period. Compared to HBR, QBR delivers CSO load reduction for more than one third of the events, with reduction values from 3 to 43 %. The QBR strategy is then implemented on the Louis Fargue catchment (7700 ha) in Bordeaux, France and similarly compared with the HBR strategy. By implementing QBR on 19 storm events over 15 months, its performance is consistent, bringing valuable benefits over HBR, with 17 out of 19 events having load reduction varying between 6 and 28.8 %. The thesis further evaluates the impact of MV curve prediction uncertainty (due to model prediction uncertainty) on the performance of the QBR strategy, using a representative storm event. The resulting range of uncertainty is limited. Besides, results of the sensitivity study show that the choice of the QBR or HBR strategy should take into account the current tank volumes and their locations within the catchment.