L'assainissement des villes, une notion aussi vieille que les villes elles-mêmes
Les premières villes ont été structurées autour des éléments de relief, que ce soit pour se protéger, pour contrôler les accès ou pour exploiter des ressources. Ainsi, de nombreuses cités ont été construites près des cours d’eau ou des littoraux, bénéficiant d’un environnement propice au transport et au commerce. De ce fait, drainer pour assécher les sols et se prémunir du risque lié aux inondations a été rapidement un enjeu fort pour les villes. L’assainissement des villes est une notion aussi vieille que les villes elles-mêmes [1]. L’évacuation des eaux usées a été pensée très tôt et sur tous les continents : à Harappa en Inde (- 2500 à - 1500 ans), des conduites d’écoulement reliaient les salles d’eau des maisons à un système d’égouts placés sous les rues ; à Byzance, les habitations étaient munies de latrines et, dans la capitale, les égouts faisaient l’objet d’une réglementation leur imposant d’aboutir à la mer ; à Palenque, cité maya au Mexique, l’existence d’un égout avec caniveau d’écoulement a également été découverte ; dans le bassin Méditerranéen, les premiers égouts ont été construits à Rome pour évacuer (ou plutôt stocker) les eaux usées.
Mais dès le Moyen Âge en France, ces infrastructures ne sont plus utilisées par manque de moyens et tombent aux oubliettes. La technique utilisée est le tout-à-la-rue et les petits ruisseaux urbains se transforment en égouts à ciel ouvert, drainant les eaux usées comme les eaux pluviales. Les épidémies sont fréquentes : la Grande Peste de 1348 décime 25 millions d’Européens et est à l’origine des premières réglementations de gestion des eaux urbaines. C’est au XVIIe siècle que les fosses d’aisances sont instaurées et, à partir du XVIIIe siècle, une gestion de l’eau est mise en place, donnant naissance à un nouvel aménagement de la ville : on pave, on macadamise les rues pour assécher les villes, on recueille l’eau de pluie pour l’alimentation en eau potable, on réutilise les déchets (engrais, salpêtre), on évacue les eaux usées, on invente la chasse d’eau, etc.
Au XIXe siècle, les grandes villes s’étendent et se peuplent. On réclame plus de confort, les appartements s’équipent d’accès à l’eau, de toilettes, de salle de bains, ce qui augmente les volumes et les dilutions. Les premiers égouts se développent sous l’égide du mouvement hygiéniste, dont l’objectif est d’améliorer la santé publique en promouvant des mesures d’hygiène collectives avec l’assainissement des villes, et individuelles avec la propreté des logements. Développé après les épidémies de choléra qui ravagent l’Europe, ce mouvement définit l’usage et les principes fondateurs du réseau d’assainissement moderne. Cependant, si ce système va réussir à s’imposer, c’est parce que le contexte s’y prête : le XIXe est le siècle des Droits de l’homme (tous égaux devant la loi et devant la nature), du scientisme (la science et la technique peuvent tout résoudre), du colonialisme (les ressources du monde sont à la disposition des rares pays « développés »), et de la première révolution urbaine. Les moyens financiers, techniques et les justifications politico-philosophiques sont ainsi réunis pour construire ces immenses et très onéreux réseaux d’assainissement. Leur objectif principal est de centraliser et d’acheminer les flux d’eaux urbaines, comprenant à la fois les eaux usées et les eaux pluviales, en dehors des villes.
Ce réseau d’assainissement, dit de tout-à-l’égout ou réseau unitaire, drainant tant les eaux usées que les eaux pluviales, va atteindre ses limites à la fin de la Seconde Guerre mondiale. À ce moment, l’essor de la population urbaine et l’urbanisation grandissante entraînent des débordements de réseaux ou des déversements de plus en plus fréquents, impactant la qualité des milieux aquatiques.
« Les épidémies sont fréquentes : la Grande Peste de 1348 décime 25 mill ions d’Européens et est à l’origine des premières réglementations de gestion des eaux urbaines. »
En effet, lors de fortes pluies, le débit augmente au-delà de la capacité pour laquelle le réseau d’assainissement a été dimensionné. Pour pallier ce problème et soulager le réseau, des ouvrages hydrauliques spécifiques, appelés déversoirs d’orage, sont mis en place. Ces infrastructures sont des sortes de « soupapes de sécurité » : pour ne pas surcharger les réseaux unitaires en temps de pluie et protéger la station d’épuration, les déversoirs d’orage permettent de rejeter l’excédent d’eau directement dans le milieu récepteur (rivière, fleuve, littoral). Ces rejets urbains par temps de pluie (RUTP), mélange d’eaux usées non traitées et d’eaux pluviales issues du ruissellement des surfaces urbaines, sont une source majeure de pollution des milieux récepteurs.
Dans les années 1970, on voit apparaître le réseau séparatif (deux réseaux : un pour les eaux usées, l’autre pour les eaux pluviales) et les premiers bassins de retenue, qui tentent de répondre aux enjeux en multipliant les kilomètres de tuyaux. Mais ces solutions d’ingénieurs ne parviennent pas à résoudre les problèmes, tant quantitatifs que qualitatifs, posés par la gestion des eaux urbaines. En raison du développement urbain et de l’imperméabilisation des surfaces, par le pavage et l’utilisation de macadam pour assécher les rues, le système de drainage urbain s’est étalé de manière désorganisée au cours du temps. Et aujourd’hui, le dimensionnement des branches principales du réseau est insuffisant pour satisfaire la croissance rapide de l’urbanisation. Le vieillissement et la détérioration des infrastructures entraînent l’infiltration d’eaux souterraines ou d’eaux météoriques (issues des nappes ou des précipitations), appelées eaux claires parasites, contribuant à une augmentation des débits dans le réseau. D’autre part, l’augmentation des évènements pluvieux extrêmes liés au changement climatique, associée à l’imperméabilisation des sols, accentue le ruissellement et favorise les risques d’inondation, les débordements du réseau et les déversements de temps de pluie. On retiendra dans l’actualité récente la contamination des huîtres du bassin d’Arcachon en 2023 et celle des nageurs olympiques par les déversements du réseau unitaire à Paris en 2023 ou les inondations de Valence en 2024.
« Végétaliser les villes permet la réalimentation du sol et des nappes en eau et augmente ainsi l’évapotranspiration (le processus qui permet le transfert d’eau contenue dans les végétaux vers l’atmosphère) permettant de lutter contre les îlots de chaleur. »
Une gestion décentralisée au goût du jour : stocker et infiltrer
Pour réduire l’impact des rejets de temps de pluie sur l’environnement, une stratégie alternative de gestion des eaux pluviales fait son chemin petit à petit, menée par les différents acteurs de l’eau (citoyens, architectes, opérationnels, scientifiques). Alternative au « tout-tuyau » et à la centralisation des flux d’eau, la gestion décentralisée s’illustre par la mise en oeuvre d’ouvrages perméables, souvent de petite taille, disséminés dans l’espace urbain en fonction de la disponibilité foncière et/ou du renouvellement urbain. Hydrauliquement parlant, ces ouvrages limitent le lessivage des surfaces (réduisant ainsi la contamination des eaux pluviales), stockent, et régulent les débits et les volumes d’eaux pluviales [2].
Parmi eux, les Solutions fondées sur la Nature (SfN) sont plébiscitées pour répondre aux enjeux d’habitabilité des mondes urbains. Ces dernières font appel à l’ingénierie écologique et au concept de la ville éponge : il s'agit d'utiliser les sols et la végétation pour stocker et infiltrer l’eau pluviale au plus près de là où elle tombe. Ce sont des noues (ou fossés végétalisés), des espaces verts inondables, des toitures végétalisées, des mares… Outre leur fonction hydraulique de stockage et de régulation des flux, les SfN visent à redonner à certains espaces urbains des fonctions « naturelles » susceptibles de rendre des services écosystémiques [3] : végétaliser les villes permet la réalimentation du sol et des nappes en eau et augmente ainsi l’évapotranspiration (le processus qui permet le transfert d’eau contenue dans les végétaux vers l’atmosphère), permettant de lutter contre les îlots de chaleur ; réinviter la Nature en ville permet de reconquérir la biodiversité au pied des immeubles et d’améliorer le cadre de vie et le bien-être des habitants [4].
Sortir de la logique du tout-tuyau, penser un aménagement urbain de manière systémique capable de répondre aux enjeux de demain dans un contexte de changement climatique, rendre les villes désirables tout en maîtrisant leur impact sur l’environnement constitue un changement de paradigme et un défi.
Pour accompagner les gestionnaires, les scientifiques instrumentent les réseaux d’assainissement pour mesurer, évaluer et analyser les données recueillies sur le terrain. Ils développent également des outils d’aide à la décision capables de tester des stratégies de gestion. Parmi eux, le modèle TONIC [5] permet d’évaluer les volumes annuels d’eaux déversés par le réseau unitaire d’un bassin-versant urbain en fonction de différents scénario de gestion.
Un outil d'aide à la décision : TONIC, le modèle hydrologique et hydraulique
PRINCIPES ET HYPOTHÈSES DE MODÉLISATION
Le modèle TONIC est un modèle à base physique reproduisant la quantité et la dynamique des différentes composantes des eaux urbaines (usées, pluviales, eaux claires parasites) en amont du déversoir d’orage et quantifiant leur contribution aux déversements en temps de pluie. L’atout majeur de cet outil est d’être capable de reproduire la complexité du réseau urbain grâce à une simplification de la représentation des processus hydrologiques (les phénomènes naturels qui décrivent le cycle de l’eau), hydrauliques (les mécanismes qui étudient le comportement physique de l’eau en mouvement) et un nombre de paramètres limité afin de réduire la dépendance à la disponibilité des données d’entrée [5].
La figure 2 montre les contributions des différentes composantes des eaux urbaines modélisées (représentées sous forme de courbe) et observées lors d’un évènement pluvieux sur le bassin-versant urbain d’Écully, en région lyonnaise. Ce bassin-versant dispose d’un réseau unitaire dont l’exutoire est muni d’un déversoir d’orage. Ce dernier déverse par temps de pluie dans le ruisseau des Planches. Les débits dans le réseau, en amont et en aval du déversoir, ont été suivis pendant plus de 10 ans par l’Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine [7].
Le modèle TONIC permet d’élaborer et simuler des scénarios de réduction des déversements au travers de stratégies d’aménagement basées sur l’implémentation d’ouvrages perméables et/ou de Solutions Fondées sur la Nature. L’objectif est de limiter les déversements de temps de pluie. Deux grands types de stratégie alternative sont étudiés et sont illustrés par la figure 3 :
- la désimperméabilisation consiste à rendre le sol perméable pour qu’il puisse stocker et infiltrer à la source les eaux de ruissellement (figure 3, b). Cette stratégie a été modélisée en remplaçant les surfaces imperméables par des surfaces perméables aménagées, c’est-à-dire conçues hydrauliquement pour collecter, stocker et infiltrer les eaux de pluie (figure 4). Cela équivaut à avoir aménagé le bassin-versant en installant des ouvrages perméables et/ou des Solutions Fondées sur la Nature.
- la déconnexion vise à déconnecter un collecteur secondaire du réseau principal afin que le flux d’eau s’infiltre dans un ouvrage dédié. La figure 3 (c) illustre cette stratégie par la déconnexion des eaux de toiture et des eaux de voiries vers un ouvrage infiltrant. Pour modéliser cette stratégie qui consiste à intercepter une partie de l’eau de pluie avant qu’elle ne ruisselle vers le réseau, on retire un certain nombre de millimètres d’eau de pluie réseau (1 mm d’eau correspond à 1 L/m2).
RÉSULTATS
La figure 5 est un hydrogramme, soit un graphique qui montre l’évolution du débit d’eau en fonction du temps, à l’exutoire du bassin-versant d’Écully (juste en amont du déversoir d’orage). Il permet ici d’illustrer l’effet d’une stratégie de déconnexion (voir figure 3, c) pour trois évènements pluvieux contrastés (13, 19, et 50 mm, respectivement). Pour cela, les x premiers millimètres d’eau de pluie ont été retirés au volume d’eau ruisselée arrivant au réseau, au cours des trois événements, la valeur de x variant entre 0 et 25 mm (voir la légende à droite de la figure 5). L’effet sur les débits à l’exutoire du bassin-versant a été analysé. Les résultats montrent que cette stratégie agit sur le début de l’hydrogramme, et contribue donc à atténuer, voire à supprimer, les débits maximums atteints dans le réseau, et donc à éviter les déversements via les déversoirs d’orage. Dans l’exemple ci-dessus, pour l’événement pluvieux le plus faible (à gauche), une interception des 7 premiers millimètres de pluie suffirait à supprimer totalement le déversement provoqué par un dépassement du seuil de déversement (ligne rouge). Il faudrait intercepter environ 15 mm pour parvenir à réduire le déversement causé par l’événement intermédiaire (milieu). En revanche, une fois que la pluie cumulée dépasse 30 mm, la déconnexion n’a plus d’effet sur les débits modélisés dans le réseau : en effet, les ouvrages et le sol sont saturés, ce qui entraîne le ruissellement des surfaces perméables. Cela est illustré par le graphique de droite (figure 5), où la fin de l’hydrogramme est identique quels que soient la quantité de pluie interceptée.
La figure 6 est un hydrogramme illustrant l’effet d’une stratégie de désimperméabilisation (voir figure 3, b) sur les débits à l’exutoire, pour trois évènements pluvieux (respectivement 13, 19, et 50 mm). Initialement, 45 % de la surface du bassin-versant est imperméable. Les chercheurs ont simulé l’effet d’une désimperméabilisation de x % de surface imperméable du bassin versant, en faisant varier la valeur de x entre 0 et 42 % (échelle à droite de la figure 6). On peut voir qu’une telle approche de modélisation agit sur une diminution du débit sur l’ensemble de l’hydrogramme dans le réseau. Dans cet exemple, nous pouvons observer que pour une petite pluie, une désimperméabilisation hypothétique de 30 % du bassin-versant (hydrogramme jaune) serait suffisante pour supprimer totalement le déversement. En revanche, pour les événements de moyen et grand cumuls, il serait nécessaire de désimperméabiliser environ 35 % du bassin-versant (hydrogramme orange) pour parvenir à supprimer presque intégralement le volume déversé.
Pour une désimperméabilisation maximale de 42 % (courbe rouge foncé), la composition du flux d’eaux arrivant en amont du déversoir d’orage diffère d’une pluie à l’autre. En plus du flux d’eaux usées, le modèle indique une contribution significative des eaux claires parasites (dues à des problèmes d’étanchéité du réseau et donc à une infiltration des eaux contenues dans le sol dans le réseau) et des eaux de ruissellement des surfaces perméables pour les pluies importantes. Même sur des surfaces perméables, l’eau ne peut s’infiltrer à 100 % et une partie finit toujours par ruisseler vers le réseau. Cela montre que même avec une désimperméabilisation maximale, il restera toujours des eaux claires et eaux de pluie dans les réseaux.
« En revanche, une fois que la pluie cumulée dépasse 30 mm, la déconnexion n’a plus d’effet sur les débits modélisés dans le réseau : en effet, les ouvrages et le sol sont saturés, ce qui entraîne le ruissellement des surfaces perméables. »
PERSPECTIVES
Une gestion décentralisée des eaux pluviales semble avoir un impact significatif sur la réduction des volumes déversés en temps de pluie dans les milieux récepteurs, notamment en ce qui concerne les pluies faibles et modérées. De nombreuses améliorations du modèle pourraient être investiguées, notamment concernant la prise en compte de l’état des sols avant la pluie et des échanges entre les réservoirs sols – nappe – réseau, mais elles nécessitent des données. Or, l’ajout et l’ajustement de paramètres supplémentaires complexifieraient d’autant le modèle. Tout l’enjeu pour cet outil opérationnel est de fournir des résultats fiables tout en restant assez simple pour être utilisé même sans instrumentation lourde du site d’étude.
Une perspective applicative serait d’évaluer la sensibilité du modèle à des pluies futures issues des scénarios RCP (pour Representative Concentration Pathways, ce sont des scénarios de concentrations de gaz à effet de serre) et de tester les scénarios de gestion des eaux pluviales en considérant d’autres régimes de pluies.
Financeur : ces travaux, issus de la thèse de Violeta Montoya Coronado, ont eu lieu dans le cadre du projet national TONIC (Tool fOr greeN resilIent Cities) financé par les Agences de l’Eau Adour-Garonne et Rhône Méditerranée-Corse, l’Office Français de la Biodiversité (OFB) et l’École Universitaire de Recherche des Sciences de l’Eau et des Hydrosystèmes (H2O’Lyon).
ET DU CÔTÉ RÉGLEMENTAIRE ?
Les pouvoirs publics mettent en oeuvre des mesures visant à réduire les déversements de temps de pluie. La Directive-Cadre sur l’Eau (DCE) (2000/60/CE) vise à instaurer une politique communautaire pour tous les États membres de l’Union européenne et s’engage à atteindre des objectifs de bon état écologique et chimique de toutes les « masses d’eau » d’ici 2027 (Commission au Parlement européen et au Conseil, 2000). En France, l’arrêté du 21 juillet 2015, révisé en 2025, définit les modalités de surveillance et de contrôle des systèmes d’assainissement et notamment des ouvrages de surverse.
