DS01 - Gestion sobre des ressources et adaptation au changement climatique

Dispositif INFILTRON pour une évaluation des fonctions infiltration & filtration des sols urbains dans un contexte de gestion des eaux pluviales – INFILTRON

INFILTRON pour l'évaluation des fonctions d'infiltration et de filtration des sols urbains dans un contexte de gestion des eaux pluviales

Package INFILTRON-exp (pour l’infiltration d'eau et l'injection de nano-tracers sur le terrain) et INFILTRON-mod (modélisation des écoulements et transferts) pour la caractérisation des propriétés hydrodynamiques et de transfert des sols urbains.

Transferts préférentiels dans les sols urbains

Le projet INFILTRON vise à développer un outil expérimental et numérique permettant de déterminer à la fois les capacités d'infiltration et de filtration des polluants des sols urbains. Ces deux propriétés sont nécessaires de manière à rendre perméables les villes tout en limitant le transfert des polluants vers les nappes phréatiques sous-jacentes. Cela est particulièrement le cas des ouvrages d'infiltration des eaux pluviales, qui doivent à la fois permettre une maximisation de l’infiltration des eaux pluviales tout en permettant la filtration des polluants transportés par ces eaux. <br />Pour autant, capacités d'infiltration et de filtration des polluants peuvent apparaître antinomiques. En effet, une capacité d'infiltration élevée signifie un écoulement rapide dans la zone non-saturée et donc un temps de résidence court de l'eau et des polluants transportés. Le risque est donc de voir les polluants résider trop peu de temps pour être retenus. Ainsi, il faut optimiser le système pour que la perméabilité soit à la fois suffisante pour permettre les flux d'eau sans pour autant conditionner un transfert trop rapide peu propice à la rétention des polluants. <br />Un autre point important concerne la présence d'écoulements préférentiels dans les sols urbains (sols souvent hétérogènes et potentiellement fortement perméables, et donc peu propices aux écoulements préférentiels). Si ces écoulements peuvent permettre d'assurer une bonne capacité d'infiltration en toutes circonstances, il faut veiller à ce que leur présence ne se traduise pas par un transfert accru et rapide des polluants vers la nappe. Ainsi, le projet INFILTRON vise à permettre la détection de ces écoulements préférentiels, in situ. <br />Le projet INFILTRON vise donc la mise au point d'un package associant dispositif expérimental (INFILTRON-exp) et modèle adapté pour quantifier à la fois les capacités d'infiltration et de filtration des polluants tout en prenant en compte les écoulements préférentiels complexes.

La méthodologie du projet repose sur quatre axes de travail interdépendants : axe 1) mise au point du dispositif expérimental d'infiltration et injection des nano-traceurs, axe 2) mise au point des nano-traceurs, axe 3) validation des objets en conditions contrôlées (laboratoire), et, axe 4) développement de la modélisation et vise la mise au point de INFILTRON-mod (outil de modélisation et d'exploitation des données expérimentales).
Plus en détail, l'axe 1 cherche à développer un infiltromètre de grande taille, pour activer les écoulements préférentiels, permettant d'effectuer simultanément de suivre l'infiltration de l'eau et d'injecter les nano-traceurs. Ce dispositif se caractérise par sa grande taille et le suivi concomitant de l’infiltration de l’eau et du transfert des nano-traceurs. Les nano-traceurs sont manufacturés (axe 2) pour se comporter en conditions réelles comme des polluants types et des bactéries naturellement présents dans les eaux pluviales. Ils doivent être manufacturés pour assurer leur détectabilité en laboratoire (imagerie à résonance magnétique) et sur le terrain (radar géologique). Ces nano-traceurs seront testés en laboratoire par essais colonnes de laboratoire pour plusieurs types de milieux poreux. Leur transfert sera comparé au transfert des polluants et bactéries modèles ciblées. Les nano-traceurs seront aussi testés in situ. Enfin, la modélisation sera effectuée à toutes échelles, avec divers degrés de complexité. La modélisation aux échelles petites et moyennes (colonnes, dispositifs de terrain) permettra d’identifier et de caractériser les mécanismes à l’œuvre. Un effort de simplification et de paramétrisation doit permettre d'obtenir un modèle plus macroscopique (INFILTRON-mod) pour le traitement des données expérimentales acquises avec l’infiltromètre développé. Cette approche de modélisation permettra à terme de proposer des indicateurs de quantification des capacités d'infiltration et de filtration des sols urbains.

Cette partie détaille les résultats acquis au bout de deux ans. Les quatre axes ont été abordés avec des taux de progression significatifs. On peut citer en particulier les points suivants déjà réalisés:
• Mise au point du dispositif de grande taille pour le suivi de l’infiltration et l’injection de nano-traceurs dans le sol, avec les premiers tests sur le terrain
• Mise au point d’un système d’infiltromètres automatisés et interconnectés de petite taille pour la mesure simultanée de l’infiltration dans la matrice du sol (10 dispositifs)
• Mise au point d’un premier lot de nanoparticules (nano-traceurs de type spion « Super Paramagnetic Iron Oxides Nanoparticules »)
• Mise au point d’un banc d’essais de détectabilité au radar géologique et test de la détectabilité des nanoparticules manufacturées
• Caractérisation des polluants minéraux et biologiques nano-particulaires dans les eaux pluviales.
• Mise au point d’essais colonnes de laboratoires et de milieux poreux modèles macroporés pour l’évaluation du transfert des nano-traceurs en laboratoire. Validations avec d’autres nano-traceurs du commerce.
• Développement de méthodes mathématiques et algorithme des traitements des données infiltrométriques (infiltromètres automatisés et INFILTRON-exp)
• Mise au point de l’architecture du modèle INFILTRON-mod pour le traitement des données infiltrométriques et de transfert de masse acquises avec INFILTRON-exp.
D'autres travaux sont en cours d'effectuation, permettant de faire progresser l'avancée des quatre aux tâches.

De manière à obtenir une avancée la plus aboutie possible pour les quatre tâches, nous envisageons les perspectives suivantes :
• Continuer le développement du dispositif INFILTRON-exp, avec notamment l’optimisation du protocole d’injection des nano-traceurs.
• Développer d’autres méthodes de traçages des écoulements préférentiels (utilisation de fluides de propriétés rhéologiques différentes et notamment des fluides non-newtoniens)
• Améliorer les nano-traceurs au regard de leur détection par radar
• Validation en colonnes de laboratoire des nano-traceurs par comparaison aux transferts des polluants ciblés. Cela suppose aussi de travailler sur la réactivité et la taille des nano-traceurs, alors qu’une seule gamme de taille et charge de surface n’a été testée.
• Terminer la caractérisation des eaux pluviales en termes de polluants de taille nano. Les communautés bactériennes ont déjà été caractérisées.
• Développer la modélisation aux diverses échelles et notamment le lien entre description fine aux petites échelles et modèles plus macroscopiques.
• Disséminer et valoriser les résultats.

1. Lassabatere, L., Di Prima, S., Bouarafa, S., Lovino, M., Bagarello, V., Angulo-Jaramillo, R., 2019. BEST-2K Method for Characterizing Dual-Permeability Unsaturated Soils with Ponded and Tension Infiltrometers. Vadose Zone Journal 18, 180124.
2. Bouarafa, S., Lassabatere, L., Lipeme Kouyi, G., Angulo-Jaramillo, R., 2019. Hydrodynamic Characterization of Sustainable Urban Drainage Systems (SuDS) by Using Beerkan Infiltration Experiments. Water, 11 (4), 660.
3. Colin, Y., L. Marjolet, R. Marti, R. Bouchali, F. Vautrin, V. Rodriguez-Nava, D. Blaha, T. Winiarski, J. Voisin, F. Mermillod-Blondin, B. Cournoyer. 2019. Incidence of bacterial groups originating from urban runoffs and artificial infiltration systems on aquifer microbiome community structures. Submitted to Water Research.
4. Di Prima, S., Castellini, M., Abou Najm, M.R., Stewart, R.D., Angulo-Jaramillo, R., Winiarski, T., Lassabatere, L., 2019. Experimental assessment of a new comprehensive model for single ring infiltration data. Journal of Hydrology 573, 937–951. doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.03.077

Plusieurs articles de conférence et rapports en supplément.

L'urbanisation perturbe drastiquement le cycle de l'eau, du fait de l’imperméabilisation des sols responsable d’une réduction de l'infiltration et d’une augmentation massive des volumes d’eaux pluviales ruisselées. Avec l’urbanisation galopante et l'incertitude due aux impacts du changement climatique, il devient absolument nécessaire d'augmenter la perméabilité des sols urbains pour restaurer cette composante « infiltration » du cycle de l'eau en ville. Toutefois, en raison de la contamination des surfaces urbaines, les eaux de ruissellement peuvent se charger en divers polluants et ainsi provoquer le transfert de polluants vers les eaux de surface, les sols et les eaux souterraines, créant ainsi un risque de pollution. Il convient alors de s’assurer que les sols urbains pourront à la fois laisser s’infiltrer l’eau et filtrer les polluants. Le projet INFILTRON vise au développement d’un infiltromètre à grand anneau pour évaluer les fonctions d'infiltration et de filtration des sols urbains. Les aspects innovants du projet sont: (i) la mise au point de traceurs de polluants émergeants et de bactéries, détectables à l'aide de techniques non invasives (IRM -Imagerie par résonance magnétique en laboratoire et radar géologique sur le terrain), (ii) la taille du dispositif permettant de traiter les échelles spatiales appropriées pour la prise en compte des écoulements préférentiels et des transfert de masse fréquents dans les sols urbains fortement hétérogènes, (iii) le développement d'une méthodologie et d'un outil fonctionnel "tout-en-un" combinant dispositif expérimental et modèle numérique et facile d’utilisation pour les praticiens et ingénieurs. Cet outil permettra de mesurer quantitativement les fonctions d'infiltration et de filtration des sols urbains, ce qui est de tout intérêt pour les gestionnaires des systèmes d'infiltration mais aussi des sites et sols pollués ou de manière générale du sol en ville. De manière à favoriser une diffusion large, le consortium élaborera un guide axé sur l’utilisation concrète du package INFILTRON par les praticiens (rapports techniques à l'appui), créera un site Web spécifique pour l'accès aux données en ligne, mettra au point une stratégie commerciale pour la diffusion du package INFILTRON et organisera une journée technique ouverte aux parties prenantes, aux ingénieurs-conseils, aux gestionnaires des eaux pluviales et sites pollués ainsi qu’aux autorités régionales et locales. Le consortium veillera également à la mise en place d'une politique active de publication dans les revues à comité de lecture, y compris les publications scientifiques de haut niveau et la participation à des conférences internationales de grande envergure (EGU, NOVATECH, AGU, WCSS). Une conférence spécifique aux écoulements et transferts préférentiels dans les sols urbains sera proposée aux conférences annuelles de l’EGU. Une session plus spécifique aux aspects pratiques en lien avec la gestion des eaux pluviales sera proposée à NOVATECH. Pour résumer, le consortium produira des connaissances, des guides et des outils pratiques avec des débouchés économiques sur le thème des écotechnologies des eaux pluviales et de l’atténuation des impacts de l'urbanisation sur le cycle de l'eau, la qualité des sols et des eaux souterraines. Le consortium bénéficiera du partenariat avec une équipe de recherche australienne reconnue au niveau international dans le domaine des techniques alternatives et des eaux pluviales et du partenariat avec une équipe italienne reconnue au niveau international dans le domaine de l’infiltrométrie.

Coordinateur du projet

Monsieur Laurent Lassabatere (Laboratoire d'Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Monash U. Monash University
UoP University of Palermo
UoM University of Melbourne
Nano-H NANOH
LEHNA Laboratoire d'Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés
DEEP DECHETS-EAU -ENVIRONNEMENT-POLLUTIONS
IFSTTAR Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux
LEM Laboratoire d'Ecologie Microbienne
ILM Institut Lumière Matière

Aide de l'ANR 624 811 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2017 - 48 Mois

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