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Les orages dans l’espace francilien

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Martine Tabeaud

L’impact des orages sur la gestion des réseaux d’eau potable et d’assainissement dans l’agglomération parisienne en 1999

Catherine Carre

Résumé

L’énorme quantité et la mauvaise qualité des eaux lors des épisodes orageux est peu ou difficilement acceptée par les usines d’eau potable et les réseaux d’assainissement. Pour les usines d’eau potable, cela se traduit par un surcoût de fabrication et le risque, à moyen terme, de filières de traitement insuffisantes. Pour les réseaux d’assainissement, la volonté de limiter les déversements en Seine d’eaux excédentaires doit composer avec une gestion de plus en plus intégrée des réseaux.

Texte intégral

1La production d’eau potable et l’assainissement des eaux résiduaires relèvent de l’échelle communale ou de regroupement intercommunal. La commune est responsable de la distribution de l’eau potable, et de l’assainissement (Gazzaniga et al, 1998). Les communes ont la liberté de choisir le mode de gestion de ces services, et de confier la distribution d’eau potable et l’épuration au secteur privé. Le principe fondamental de la compétence et donc de la responsabilité des communes est mis en œuvre par un ensemble législatif dont les deux textes principaux sont la loi-cadre de 1964 et la loi sur l’eau du 3 janvier 1992. Pour l’Île de France, cela concerne 1 281 communes, et une population de 10 661 937 habitants.

2Pour la production d’eau potable, l’organisation des communes amènera à étudier l’impact des orages sur la ville de Paris seulement. Pour l’assainissement, le regroupement interdépartemental invitera à considérer cet impact à l’échelle de l’agglomération.

I - L’ORAGE PERTURBE LA FABRICATION D’EAU POTABLE

1) L’alimentation en eau potable dans l’agglomération parisienne

3Sur la totalité de l’Île de France, la consommation moyenne est estimée à 2,1 millions de m3 par jour avec une pointe de 3 millions en été. La plus grosse part de la ressource est fournie par les trois principaux cours d’eau de l’agglomération : Seine, Marne et Oise. Les 14 usines traitant l’eau de Seine (62 %), de la Marne (31 %) et de l’Oise (7 %) fournissent quotidiennement 2,75 millions de m3 (Loriferne et al., 1987 ; IAURIF, 1996).

a) L’alimentation est organisée par trois acteurs principaux

4La Ville de Paris, une partie des communes de l’agglomération regroupées dans un syndicat intercommunal le SEDIF, et le reste des communes de la région. La Ville de Paris est un acteur individuel dans la mesure où les équipements mis en place au XIXe siècle lui permettent une indépendance de sa ressource. Elle assure par le biais de la SAGEP (Société Anonyme de Gestion des Eaux de Paris) la production d’eau potable et le suivi de la qualité. La SAGEP est une société d’économie mixte où la ville de Paris est majoritaire, avec la participation d’une filiale de la Compagnie générale des eaux (Compagnie des eaux de Paris) à qui a été déléguée la distribution de l’eau sur la rive droite, et d’une filiale de la Lyonnaise des eaux (Société parisienne des eaux) pour la distribution de la rive gauche. L’eau consommée à Paris provient à parts égales de sources et de rivières (figure 1).

5Pour le reste de l’agglomération, une forte proportion des communes est regroupée dans le Syndicat des eaux de l’Île de France (SEDIF) dont la distribution est confiée en affermage à la CGE. Pour les autres, c’est la Lyonnaise qui assure l’essentiel de la distribution. Ici, l’eau de surface satisfait 75 % des besoins et provient de la Seine, de la Marne et de l’Oise. Le reste de la consommation provient pour 18 % d’eau souterraine, et pour 7 % d’eau souterraine avec réalimentation par eau de rivière. [Cette présentation simplificatrice laisse de côté le fait que 294 communes, dont 260 communes rurales, gèrent directement leurs réseaux d’eau potable. Pour certaines communes rurales de l’île de France, les proportions dans l’origine de la ressource peuvent s’inverser et l’eau de surface ne répond plus qu’à 25 % de la consommation pour 75 % provenant des eaux souterraines].

6La fabrication d’eau potable est perturbée par la modification de la qualité due aux eaux de ruissellement et aux éventuels rejets des stations d’épuration ou des déversoirs d’orage. Contrairement aux idées reçues, l’eau de pluie est impure ; on estime que 15 à 25 % de la pollution contenue dans les eaux de pluie existe déjà dans l’atmosphère. A cette pollution s’ajoute celle due aux eaux de ruissellement. Pour J.P Tabuchi (1991) : "La fabrication d’eau potable peut être sérieusement perturbée par la présence d’ammonium, de matières en suspension, de produits phytosanitaires et d’hydrocarbures. La gestion des installations de traitement est d’autant plus délicate que l’écart entre la qualité de la ressource en eau par temps de pluie et par temps sec est important". Peu de statistiques précisent l’impact des eaux d’orage et des rejets urbains en temps de pluie sur la fabrication d’eau potable.

7L’une des rares enquêtes disponibles (Carré et al, 1990) semble montrer que les rejets dus à des pluies sont rarement en cause, ce qui paraît étrange vu l’origine de l’alimentation en eau potable, et les modalités de fonctionnement des usines dans le cycle urbain de l’eau, particulièrement dans l’espace francilien (Chocat et al., 1993). Pour la région parisienne, cela suppose de connaître la nature et la qualité de la ressource par temps sec et la pollution apportée par temps de pluie intense.

b) La qualité des eaux de rivière par temps sec : une diminution de la pollution classique, mais une augmentation d’autres polluants

8Les mesures réalisées depuis plus de 10 ans (RNDE, 1994) montrent que l’eau en amont des usines de production d’eau potable présente une qualité conforme en moyenne aux normes de la directive CEE du 16 juin 1975 sur la qualité requise des eaux superficielles destinées à la production d’eau alimentaire. Malgré le développement de l’urbanisation, les grandes rivières ont vu, entre 1983 et 1994, leur situation se stabiliser (ce qui n’est pas le cas pour les petits cours d’eau). Cette stabilisation se lit sur les cartes d’objectifs de qualité des cours d’eau, classées en 5 catégories (1A, 1B, 2, 3, hors classe) en fonction des possibilités de vie des poissons et des différents usages de l’eau dont la fabrication d’eau potable (figure 2). Aucune rivière d’Île de France n’est classée de qualité excellente, la Seine et la Marne ne sont de qualité bonne que jusqu’à l’entrée de l’agglomération parisienne (vers Corbeil ou Lagny), mais la Seine ne descend en dessous de "qualité moyenne" qu’à sa sortie de Paris ; toutefois, en aval de l’agglomération parisienne, elle est alors "hors classe", et reste de mauvaise qualité jusqu’à la mer. (Cette classification des cours d’eau n’est pas la même que celle des différentes catégories de qualité de l’eau, pour les eaux brutes destinées à la consommation humaine - décret 90-330 du 10 avril 1990). Pour les eaux brutes, cette amélioration de la qualité de l’eau de rivière s’apprécie à travers la concentration en ammonium actuelle par rapport à celle d’il y a 10 ans : pour l’eau de Seine avant Paris, entre 0,1 et 0,3 mg/l contre 0,3 à 0,8 mg/l (l’ammonium est une substance indésirable dans l’eau brute, indicateur de l’altération de la qualité de l’eau par les matières organiques et oxydables consommatrices d’oxygène dissous). La norme européenne de concentration maximale autorisée pour l’ammonium est de 0,5 mg/l ; avec un maximum de 0,3 mg/l la Seine aujourd’hui est en dessous de ce seuil.

c) L’adaptation des usines à la ressource

9Les prises d’eau des usines sont généralement en amont de l’agglomération (figure 3). Pour Paris la production d’eau potable à partir d’eau de surface est réalisée par trois usines "en amont" de Paris. Cette situation amont est bien respectée pour l’usine d’Orly, et celle de Joinville-le-Pont, sur la Marne, en amont de la station d’épuration de Noisy Le Grand, car son rejet en temps normal se fait dans la Marne à la hauteur de Champigny, mais pas pour l’usine d’Ivry-sur-Seine, qui elle, est en aval de la station d’épuration de Valenton, et subit par temps de pluie ses rejets. Pour les stations d’épuration, il faut distinguer celles qui sont alimentées par un réseau séparatif (ex : Valenton) de celles qui le sont par un réseau unitaire (ex : Seine aval - Achères, Colombes) dans la mesure où elles ne devraient recevoir que des eaux usées. La réalité montre qu’en période d’orage la station de Valenton peut recevoir jusqu’à 500 000 m3 par jour, pour une capacité nominale de 300 000 m3/jour, ce qui indique clairement qu’il n’y a pas de séparation stricte entre les eaux usées et les eaux pluviales. En période d’orage, les stations d’épuration et les usines de crue, pour éviter d’être mondées à l’amont, rejettent le surplus des eaux dans la rivière. Il existe des accords entre les exploitants des stations d’épurations et les usines d’eau potable pour prévenir des rejets en rivière, indiquant la quantité et la durée du rejet. Pour l’usine d’Ivry, le rejet journalier de Valenton en cas d’orage ne dépasse pas 50 000 m3.

10.Les usines de production d’eau potable sont conçues pour s’adapter à la qualité de la ressource et prendre en compte des changements comme ceux apportés par les pluies d’orage. Mais les usines de la région parisienne ne sont pas dans leur configuration actuelle prévues pour traiter de fortes teneurs en matières en suspension et en nitrates. Cela suppose un arrêt des modifications apportées par l’agriculture dans la région parisienne. Sur le bassin versant de la Marne, la transformation des prés en champs de maïs, la suppression des berges avec fossé, l’édification de berges de rivière "bien propres" font que plus grand chose ne vient freiner l’arrivée de l’apport d’eau, ce qui accélère l’écoulement et l’érosion et conduit à de fortes pointes de turbidité. Pour l’usine de Joinville, la vitesse de l’eau est plus importante, l’eau est plus chargée, et suppose un plus faible temps de réponse pour traiter la pollution apportée. Quant aux nitrates, les filières de traitement de ces usines ne prévoient pas leur élimination.

B) La pollution due aux orages reste, avec les crues et les pollutions accidentelles, une cause de difficulté importante pour la production d’eau potable

11L’estimation du dépassement de seuil pour la qualité de l’eau se fait par rapport au décret no 89-3 du 3 janvier 1989 (modifié par le décret no 90-330 du 10 avril 1990). Les paramètres pris en compte sont en révision constante, du fait des progrès de la recherche et des préoccupations du moment. La directive européenne 91-692 adoptée le 3 novembre 1998, relative à la qualité des eaux destinées à la consommation humaine, fait passer de 63 paramètres à 44, essentiels du point de vue sanitaire. Les trois principaux producteurs d’eau potable d’Île de France (Compagnie générale des eaux, Lyonnaise des eaux, et SAGEP) effectuent les prélèvements dans le milieu naturel, dans la Seine, la Marne et l’Oise. Ils suivent de très près la qualité de l’eau "brute" pour ajuster leurs procédés de fabrication, et ont mis en place des réseaux dits d’alerte permettant de mesurer la qualité de l’eau en amont des sites de prélèvement. En cas de dépassement des seuils réglementaires, les prélèvements doivent être interrompus. Des interconnexions ont été construites entre les usines de production soit des échanges d’eau traitée entre la SAGEP, la CGE et la Lyonnaise, soit des échanges d’eau brute ou prétraitée entre les usines d’un même producteur. Ainsi, l’usine de Joinville peut ravitailler l’usine d’Ivry en eau de Marne, en cas de pollution grave de la Seine, ou d’arrêt de la station en général.

a) la pollution d’orage s’ajoute à la pollution chronique d’été

12La pollution d’été correspond à l’arrivée dans l’eau de pesticides et d’herbicides, employés dans l’agriculture entre mai et juillet, (ex : l’atrazine, désherbant du maïs), mais aussi des pesticides et herbicides totaux utilisés par les DDE, SNCF (le plus gros consommateur d’herbicide), tout service d’entretien d’espace vert. La norme fixe à 0,1 μg/l la concentration maximale pour chaque type de pesticide identifié et à 0,5 μg/l la concentration totale en pesticide. Le respect de cette norme par la station n’est possible que si l’eau brute ne contient pas plus de 1,5 μg/l de pesticide avant traitement. Pour la station, l’apport brutal de pesticide avec les eaux d’orage correspond à un pic de pollution, assimilé à une pollution accidentelle.

13La Seine est à l’étiage, le débit étant faible, la vitesse aussi, les particules lourdes ont le temps de décanter avant d’arriver à l’usine. Cet effet positif est contrebalancé par la faiblesse du débit qui ne permet par un effet de dilution, par exemple pour l’ammoniaque.

14À ce type de pollution s’ajoute celle apportée par les déversoirs d’orage des réseaux unitaires ou des stations de relevage sur le réseau, mais aussi par les collecteurs d’eau pluviale, des réseaux en séparatif, rejetant en rivière des matières en suspension, des hydrocarbures, des huiles, dont celle de vidange opportunément déversée par des particuliers lors de l’orage. Cette pollution est d’autant plus importante que l’épisode orageux intervient après une période de sécheresse, et qu’il remet en suspension les particules qui s’étaient déposées dans les canalisations. Pour les stations d’eau potable, c’est la première eau qui gène, et les responsables des réseaux d’assainissement développent des stations de dépollution des eaux pluviales et des bassins de retenue et de dépollution, en amont des prises d’eau (ainsi pour l’usine d’Ivry, le bassin de Vitry).

b) Les pollutions spécifiques à chaque station

15Certaines pollutions n’existent qu’en relation avec le bassin d’apport de l’usine d’eau potable, qui développe ses propres outils de surveillance et indicateurs de pollution. Ainsi, l’usine de Joinville doit composer avec un déversoir d’autoroute, celui de l’A4, à 800 m en amont de sa prise d’eau au niveau du pont de Joinville (figure 4). Ce déversoir apporte une quantité significative d’hydrocarbures, lourds et légers, due à la pluie (et à un curage insuffisant). Cela se traduit par une arrivée "d’eaux noires", le noircissement de l’eau étant provoqué par les rognures de pneu, et le ravinement de l’autoroute. L’usine a donc mis en place un colorimètre, la montée en couleur de l’eau de la Marne du gris au noir indiquant cette arrivée d’hydrocarbures. La réponse à cette pollution est un ajout dans l’eau de charbon actif en poudre. De fait, dès qu’il y a une pluie, épisode orageux ou non, du fait du mauvais entretien du bassin d’autoroute, la procédure de l’usine est d’ajouter du charbon actif en poudre.

c) L’exemple de l’orage du 3 septembre 1998 à l’usine de Joinville

16Cet orage a été sélectionné car il correspondait sur les images radar à un orage localisé sur la commune de Joinville, avec 24 mm d’eau tombés pendant 4 heures (de 7 heures à 12 heures) dont 11,2 mm en une seule heure. Si l’intensité maximale de la pluie correspond à la journée du 2 septembre, toutefois, il a continué de pleuvoir les deux jours suivants.

Tableau 1 : les résultats d’analyse de l’eau brute pour l’orage du 3 septembre 1998 à l’usine de Joinville

Jour d’observation

Moyenne

Valeur max

Débit En m3/s

01/09/1998
02/09/1998
03/09/1998
04/09/1998

33
35
39
38

- Valeur guide, A1, A2, A3 pour l’eau brute
- CMA (Concentration
Maximale Autorisée)
pour l’eau potable

Turbidité en NTU

01/09/1998
02/09/1998
03/09/1998
04/09/1998

7.6
6.8
7.1
6.2

10.8
24
10
44

- Pas de valeur pour l’eau brute
- Pour l’eau potable : 4 NTU (nombre d’unités Jackson)

Température en °C

01/09/1998
02/09/1998
03/09/1998
04/09/1998

19.5
21.5
21.7
20.3

Jour d’observation

Moyenne

Valeur max

Nitrates en mg/l

01/09/1998
04/09/1998

12.1
11.3

- Eau brute : 50 mg/l
- Eau potable : 50 mg/l

Hydrocarbure dissous en ppm (ou 1 mg/l)

01/09/1998
02/09/1998
03/09/1998

0.04
0.07
0.02

0.2
0.33
0.13

- Eau brute :
Al : 0.05 mg/l
A2 : 0.2 mg/l
A3 : 0.5 - 1 mg/l
- Eau potable :
10μg/l (microgramme)

Ammoniaque en mg/l

01/09/1998
02/09/1998
03/09/1998
04/09/1998

0.18
0.26
0.32
0.22

- Eau brute
Al : 0.05 mg/l
A2 : 1 - 1.5 mg/l
A3 : 2 - 4 mg/l
- Eau potable :
0.5 mg/l

Nitrites en mg/l

01/09/1998
02/09/1998
03/09/1998
04/09/1998

0.2
0.11
0.33
0.26

- Eau brute il n’y a pas de limite, car l’eau ne doit pas en comporter à la sortie

Germes
Streptocoques fécaux Nbre/100 ml
Coliformes totaux Nbre/100 ml

01/09/1998
02/09/1998
03/09/1998
04/09/1998
01/09/1998
02/09/1998
03/09/1998
04/09/1998

433
1 730
4 300 930
3 335
45 335
32 700
6 000

- Eau brute :
Al : 20 colonies/100 ml
A2 : 1 000/100 ml
A3 : 10 000/100 ml
- Eau potable : 0 ng/l00 ml (nanogramme)
- Eau brute :
A1 : 50 colonies/100 ml
A2 : 5 000/100 ml
A3 : 50 000/100 ml
- Eau potable : 0 g/100 ml

17Les résultats d’analyse de l’eau brute (tableau 1) sont donnés pour la journée d’orage mais aussi après et avant l’orage, et mis en relation avec les concentrations autorisées par le décret 89/3 de 1989 (dernière modification 1995) sur les eaux brutes. Ces valeurs sont des valeurs guides à ne pas dépasser pour une qualité d’eau brute soit de catégorie Al (excellent), soit de catégorie A2 (bonne) soit de catégorie A3 (médiocre). À ces valeurs pour l’eau brute sont rajoutées les valeurs de concentration maximale autorisée pour l’eau potable par la directive 91-692, qui servent d’objectif à atteindre, à la sortie de l’usine. C’est ainsi que les nitrates en toute petite quantité sont tolérés dans l’eau potable, alors que les nitrites, germes, hydrocarbures ne doivent plus s’y trouver. Les premiers indicateurs à prendre en considération, sachant que la température était inférieure à 25 °C, sont le débit de la Marne et la turbidité. Le premier constat est que pendant ces différentes journées, sans orage et avec apport de l’orage, le débit relevé est inférieur au débit attendu pour une qualité moyenne de l’eau, soit 40 m3/s. La situation d’étiage, faiblesse du débit, température relativement élevée, rend l’eau fragile. La turbidité est le premier indicateur regardé car il donne une idée globale de la transparence de l’eau, ou au contraire de la présence d’argile, qui attire les bactéries, ou d’algues, qui doivent être éliminées. Ici, la turbidité moyenne est trop élevée, quant aux maxima, ils ont entraîné un changement de filière de traitement dès que la valeur de 15 NTU a été dépassée. Il est intéressant pour cette station de tester les valeurs qui correspondent aux nitrates, (pour les rejets de l’agriculture) aux hydrocarbures (pour l’impact du déversoir d’orage) et aux rejets des réseaux d’assainissement : ammoniaque, nitrites et germes.

18Ce que les analyses font ressortir, pour cette pluie d’orage, c’est l’impact des rejets d’égouts, puisque ce sont les seuls paramètres qui d’une part sont considérablement modifiés, et d’autre part atteignent des valeurs très au dessus des concentrations maximales autorisées.

19La faiblesse en nitrate s’explique par la saisonnalité, l’orage est hors période de traitement agricole. Pour les hydrocarbures, l’installation des colorimètres permet d’intervenir immédiatement au barrage de prise d’eau, en répandant une poudre absorbante sur la nappe de pollution pour écrémer. Quant à la pollution bactériologique, elle est constatée 48 heures après par les analyses, et elle est éliminée par les 3 étapes différentes de désinfection du traitement, chaque étape réduisant la pollution d’un log en moins.

20Une estimation peut être faite du surcoût du traitement de l’eau dû à ce rajout. Pour traiter l’eau, il faut un apport de 8 grammes de C.A.P par m3, sachant que le charbon actif en poudre revient de 8 000 à 10 000 francs la tonne. Pour un prix de l’eau au m3 à Paris revenant en moyenne à 15,24 francs en 1998 (DREIF, 1998), la part production d’eau potable peut être estimée à 5,68 francs, le traitement de l’eau à 50 centimes, le coût de l’additif de CAP dans les usines de la SAGEP revient à 10 centimes, soit un surcoût de 20 % pour le traitement.

21Conclusion : Ce que la pollution par les orages met en évidence, c’est le poids des rejets des réseaux d’assainissement dans la fabrication d’eau potable et l’interrelation entre les progrès de l’assainissement et l’amélioration de la qualité des cours d’eau. Ces résultats rappellent qu’une attention toujours soutenue doit être portée à la qualité de l’eau brute et de l’eau distribuée. Durant l’été 1998, la ville de Neuveville (canton de Berne, Suisse) a été touchée par une épidémie de gastro-entérite, le développement du colibacille étant dû à une fuite du réseau d’assainissement contaminant la nappe phréatique.

22Ce qui est aussi mis en évidence, c’est le "jeu à somme négative" entre l’accroissement d’une certaine pollution agricole et l’allongement des filières de traitement d’eau. Pour Bernard Barraqué, 1998, directeur au CNRS : "Plus que les polluants classiques de l’eau potable qui sont en passe d’être maîtrisés, ce sont les risques liés à l’artificialisation de l’agriculture qui posent les problèmes les plus graves du futur. Les distributeurs d’eau publics ou privés savent relever ces défis techniques, mais la réponse allonge aussi la facture".

II- L’IMPACT DES ORAGES SUR LES RÉSEAUX D’ASSAINISSEMENT ET LEUR GESTION

1) Cet impact correspond aux deux effets majeurs des orages

  • un problème d’ajustement de flux dans le temps et dans l’espace entre la capacité des canalisations et des stations d’épuration et la lame d’eau précipitée (inondation),

  • les conséquences sur le milieu récepteur des rejets en rivière par les réseaux d’assainissement (pollution).

23Si longtemps la seule préoccupation des aménageurs a été d’éviter les inondations, depuis plusieurs années les schémas d’aménagement intègrent désormais des mesures pour la protection des milieux. Pour Emmanuelle Musso et Bernard Chocat, 1998, "le volume annuel rejeté par temps de pluie par le réseau d’assainissement de la Communauté urbaine de Lyon est supérieur à la moitié des rejets annuels par temps sec de la station d’épuration. (...) En terme de charge, les masses annuelles rejetées par les déversoirs d’orage sont supérieures à celles rejetées par temps sec à la station. (...) Un événement pluvieux de retour un an peut engendrer le rejet d’un volume près de dix fois supérieur à celui déversé pour un jour de temps sec et une masse de pollution de l’ordre de 10 % de celle rejetée annuellement par temps de pluie".

24Agir sur l’événement pluvieux suppose donc d’agir sur d’importants volumes chargés.

a) La régulation des débits et la nature des rejets au milieu naturel dépendent de la nature et des caractéristiques des réseaux.

25L’assainissement dans la région francilienne comprend une partie d’assainissement autonome, ou individuel, surtout en milieu rural, même si l’on peut trouver des fosses septiques, y compris dans la proche banlieue parisienne, comme dans la commune de Saint-Maur-des-Fossés. Pour l’assainissement collectif, il faut distinguer les réseaux unitaires des réseaux séparatifs. Pour le système unitaire, les eaux usées domestiques, les eaux pluviales, et sous certaines conditions les effluents industriels sont évacués par un collecteur unique. En cours de réseau, ou avant la station d’épuration, sont intercalés des déversoirs d’orage. La fonction de ces déversoirs est d’assurer par temps de pluie ou d’orage la dérivation vers le milieu naturel d’une partie des effluents, eaux usées/diluées par les eaux pluviales. Dans le système séparatif, les eaux usées domestiques, et sous certaines conditions les effluents industriels, sont évacués vers la station d’épuration par un premier collecteur. Un second collecteur assure le transport vers le milieu naturel des seules eaux pluviales. Les rejets au milieu récepteur sont conditionnés par les caractéristiques du réseau : 1) le réseau ne transporte que des eaux pluviales, 2) le réseau bien que pluvial reçoit une fraction des eaux usées, 3) le réseau est unitaire et il s’y produit un mélange entre eaux usées et eaux pluviales (figure 5).

26Pour la répartition de ces deux modes de réseau, l’histoire des choix de ces réseaux aboutit, dans la région parisienne, à une logique de répartition unitaire - séparatif avec de l’unitaire exclusivement au centre de l’agglomération (commune de Paris) et majoritairement dans la proche banlieue ; en revanche la grande banlieue comprend une partie de son réseau en système séparatif. Sur l’ensemble de l’agglomération parisienne, la répartition est de 80 % pour le mode unitaire et 20 % en séparatif. Pour chaque réseau, il faut distinguer la collecte, le transport et l’épuration de l’effluent.

b) L’impact des orages sur la collecte, le transport et l’épuration de l’effluent des réseaux unitaires

27Dans l’agglomération parisienne, la collecte est assurée dans les départements de Paris et de la petite couronne par les communes, une partie de la collecte et le transport départemental par les départements (conseils généraux), et le transport interdépartemental ainsi que l’épuration par un syndicat interdépartemental : le SIAAP (Syndicat Interdépartemental d’Assainissement de l’Agglomération Parisienne). À ce syndicat d’épuration des eaux usées sont rattachées par convention 161 communes de la grande couronne (Essonne, Val d’Oise, Yvelines et Seine et Marne).

28Le réseau d’assainissement fonctionne en mode unitaire et gravitaire, l’écoulement des eaux résiduaires se fait dans les tuyaux à surface libre, naturellement. Le réseau doit être conçu de manière à éviter les dépôts et les fermentations pouvant entraîner de mauvaises odeurs ou le développement de produits dangereux : c’est la notion d’autocurage. Ce principe a été adopté au siècle dernier, se retrouve dans le choix de l’ovoïde pour la forme des collecteurs, et était justifié jusqu’à récemment pour éviter, tant que faire se peut, l’utilisation de pompes, donc un surcoût. En tirant des canalisations rectilignes, avec une pente de 20 cm/km, on obtient une vitesse faible mais suffisante (1 mètre/seconde) pour éviter la décantation. Toutefois, la vitesse ne doit pas être trop importante, car l’eau en circulant frotte et perd en charge. Comme les émissaires font un trajet moitié plus court que celui de la Seine, la perte de charge étant proportionnelle à la longueur du trajet, cela permet d’obtenir un débit ni trop fort, ni trop faible, et cela économise du tuyau. Cependant une partie du réseau départemental de la Seine Saint Denis et du Val de Marne fonctionne sous pression.

29L’ensemble du réseau est centralisé (figure 6) et cette centralisation est un héritage des choix techniques et politiques de la Ville de Paris et du département de la Seine, en 1935, ainsi que de la reprise de ce réseau en 1970 lors de la création du SIAAP. La plus grande partie des eaux usées de l’agglomération parisienne aboutit par l’intermédiaire de 5 grands ouvrages de transport interdépartementaux appelés "émissaires" à la station de Seine Aval située à Achères. Depuis la fin des années 80, une partie sud et sud-est des effluents est traitée à la station de Valenton, une petite partie des eaux de la banlieue est épurée à Noisy-Le-Grand. Depuis 1998, l’usine d’épuration Seine Centre (Colombes) vient soulager en partie les apports reçus par l’usine de Seine Aval. Le caractère centralisé du réseau s’apprécie dans la répartition des effluents traités par les différentes stations : sur un total produit par 8 200 000 habitants, 87,5 % des effluents sont dirigés par temps sec sur l’usine de Seine Aval, avec une capacité nominale actuelle de 2 100 000 m3/jour, soit un débit moyen traité de 25 m3/s. Le caractère centralisé du réseau est mis en cause aujourd’hui, y compris par les services du SIAAP, avec des mesures de modernisation depuis 1991.

30L’organisation encore centralisée du réseau, et les partages de compétences entre les différents acteurs publics, invite à étudier dans un premier temps les dysfonctionnements par temps d’orage dans la partie départementale des réseaux, puis dans la partie interdépartementale, la zone SIAAP.

2) L’impact sur la collecte et le transport départemental : L’exemple de la ville de Paris.

31Chaque département de la petite couronne connaît en temps d’orage des difficultés qui correspondent aux particularités de son réseau. Nous ne développerons que l’exemple de Paris.

a) le rôle des déversoirs d’orage et des usines de crues

32En cas d’orage, le Service d’Assainissement de la ville de Paris (la SAP) dispose de 44 déversoirs d’orage en Seine, pour éviter la mise en charge du réseau, principalement dans les zones basses du réseau (ex : quartier de la Convention). Toutefois, pour Olivier Jacque, ingénieur en chef de la SAP, "la mise en charge des ouvrages rend particulièrement vulnérables les 92 000 branchements particuliers qui relient le système de collecte des eaux, interne à chaque immeuble, et le réseau municipal d’assainissement. Ces branchements, dont l’étanchéité laisse fréquemment à désirer, ne résistent pas toujours à la montée des eaux dans les égouts provoquant ainsi l’inondation des caves". Les déversoirs d’orage en rejetant les eaux excédentaires vers la Seine évitent les inondations mais occasionnent des déversements polluants très importants. Certains déversoirs peuvent rejeter des débits de 20 à 30 m3/s. Si les quantités varient d’une année à l’autre du fait de la pluviométrie, en 1997, année de pluviométrie relativement normale, 12 millions de m3 ont été rejetés.

b) En cas de montée des eaux en Seine et d’un orage concomitant

33Le système d’assainissement de Paris fonctionne en substituant 7 usines de pompage aux 44 déversoirs d’orage, car il n’est plus possible d’évacuer gravitairement l’excédent de pluie. Néanmoins, la capacité d’évacuation en Seine de ces 7 usines avec un débit total de 14 m3/s est sans rapport avec celle des 44 déversoirs. Il y a un risque de mise en charge du réseau beaucoup plus important. "C’est donc l’intensité de la pluie et non la hauteur de la crue qui doit être considérée comme source du risque. La montée de cheminées autour des ouvrages (bouches d’égout et regards) situés dans les zones les plus basses de Paris permet de protéger la voie publique d’une mise en charge des ouvrages qui dépasseraient de quelques décimètres le niveau de la chaussée. (...) Le risque essentiel réside dans le fait que, si une pluviométrie très importante survenait alors que la Seine est en crue, pouvant entraîner par là même des infiltrations de la nappe dans les égouts, croissant avec l’importance de la crue, les installations de pompage parisiennes ne pourraient peut-être pas suffire, d’où la crainte d’inonder une grande partie de Paris par la mise en charge des collecteurs. Il est difficile d’estimer les superficies touchées, celles-ci étant fonction de l’importance de la crue et de la pluviométrie".

3) Les dysfonctionnements par temps d’orage du réseau interdépartemental : la zone S.I.A.A.P

a) Le rôle d’interface des émissaires.

34Le réseau interdépartemental a pour mission de transporter les eaux usées qui aboutissent dans les émissaires puis de les traiter et n’a donc pas mission de traiter les eaux pluviales. Mais par la nature des réseaux départementaux qui se raccordent sur les réseaux du SIAAP, du fait de l’importance du réseau à caractère unitaire par rapport au séparatif, lors d’épisodes pluvieux les débits augmentent fortement, et dépassent la capacité de temps sec trois fois. Un gros orage apporte à Achères un débit de 70 m3/s contre 25 m3/s.

35Les émissaires sont des ouvrages de 3,75 à 4 mètres de diamètre, de faible pente (15 à 22 cm/km) et sont situés à grande profondeur (40 à 70 mètres). En 1997, ils ont transporté par temps sec un débit moyen de 25,7 m3/s, et par temps de pluie un débit moyen de 31,6 m3/s. Il faut considérer les émissaires du réseau du SIAAP par rapport aux réseaux départementaux et communaux de Paris, des Hauts de Seine, du Val de Marne et de la Seine Saint Denis comme des interfaces (figure 6). En effet, avant admission en des points strictement localisés sur chacun des émissaires, les eaux sont dessablées, et parfois débarrassées des corps flottants par des grilles mécaniques intégrées dans des stations de prétraitement. Il s’agit des usines de Clichy (point de départ de l’émissaire Clichy-Achères branche d’Argenteuil, et point d’arrivée des collecteurs parisiens), de l’usine de la Briche (point de départ du Saint-Denis-Achères, point d’arrivée des collecteurs de la Seine Saint-Denis), et de celle de Charenton (point de départ de l’émissaire Nord-est et point d’arrivée des égouts des communes avoisinantes, et des communications avec les collecteurs du département du Val de Marne). Ces interfaces sont organisés différemment dans le département des Hauts de Seine. Au lieu de passer par un point de concentration, les branchements des collecteurs départementaux se font individuellement, après passage dans une chambre de dessablement, dans les émissaires (Sèvres-Achères, branche de Rueil, et branche de Nanterre) : c’est le service en route.

b) L’impact des orages sur un réseau non régulé

36En cas d’orage, plusieurs difficultés se présentent : le surplus des eaux ne peut pas passer par les siphons assurant la traversée de la Seine, il dépasse la capacité des émissaires, ou bien, le débit est trop important pour être accepté par l’usine de prétraitement et risque d’inonder les installations ; les usines de prétraitement déversent alors cet excédent soit en Seine ou en Marne, pour l’usine de Charenton, soit en Seine pour les deux autres usines. Les 4 émissaires franchissent la Seine en siphon pour rejoindre la station de Seine Aval, en tête amont des siphons, au site de La Frette, où sont installées des vannes de réglage complétées de déversoirs d’orage. Ces installations permettent d’éviter aux abords de la station les inondations des points bas (Sartrouville), de limiter l’arrivée d’eau en amont de la station d’Achères. L’importance des rejets sur le transport interdépartemental est donc fonction de ce qui arrive à l’amont des émissaires, mais aussi de ce que la station peut accepter à l’aval. A l’entrée de la station d’Achères, les installations de prétraitement (grilles, bassins de dessablement, dégraissage) sont calibrées pour faire face aujourd’hui à un débit de pointe de 56 m3/s, régulièrement dépassé en période d’orage.

37L’impact de l’orage sur les émissaires est différent selon les bassins d’apport : en terme de rapidité d’arrivée d’eau dans les émissaires, le surplus d’eau dû à un orage sur les Hauts de Seine arrive beaucoup plus vite dans les émissaires que celui des collecteurs de la Seine Saint-Denis, car ce département dispose d’une capacité de stockage de presqu’un million de m3. Donc un orage sur les Hauts de Seine se répercutera immédiatement sur le réseau. Pour la Seine Saint-Denis, les services techniques du département relâcheront leurs eaux stockées après l’orage. Mais l’impact de l’orage est aussi lié au volume apporté par les collecteurs et là les émissaires du nord, (le CAA et le CAB), reçoivent la moitié du débit journalier. Donc, il faut prévoir une réponse rapide pour un orage qui débute sur l’ouest de Paris et prévoir de grandes capacités de stockage pour un orage sur le nord.

38Pour les exploitants du réseau, la priorité est donnée au risque d’inondation, même si l’impact du rejet des eaux mêlées (usées, pluviales) dans la rivière est pris en considération. D’abord parce qu’il n’est plus possible de rejeter en rivière sans autorisation des services de la navigation. Ensuite, parce que le rejet surtout en période estivale aboutit à la mort des poissons de la rivière.

c) L’impact d’un orage sur le réseau régulé

39Depuis 1992 (le 16 mars) l’arrivée d’eau à la station d’Achères est régulée par l’intermédiaire du système SCORE (Système de Contrôle, d’Organisation et de Régulation pour l’exploitation des Emissaires), "avec l’objectif d’obtenir un débit aussi constant que possible pour répondre aux consignes de fonctionnement d’Achères.(...) Ces consignes sont de trois types : le débit maximal pouvant passer en épuration complète, le débit maximal pouvant passer en décantation primaire, le débit maximal pouvant passer en prétraitement" (SCORE, 1992). L’enjeu de la régulation se pose d’abord par temps sec. La régulation parfaite est une maîtrise des débits des émissaires qui permet à l’arrivée de la station d’épuration d’obtenir un débit constant adapté à sa capacité nominale de traitement (24 m3/s), en linéarisant les courbes quotidiennes. En 1997, l’observation des courbes de temps sec, même en période régulée, fait apparaître une sous-utilisation du réseau entre 3 heures et 8 heures du matin et une sur-utilisation du réseau entre 13 heures et 18 heures, car les capacités de rétention du réseau n’étaient pas suffisantes pour combler les creux du matin avec l’eau stockée de la nuit, ni absorber l’intégralité de jour. La mise en service de Colombes, en 1998, permet de soulager le réseau de 240 000 m3/jour. Cela permet d’abaisser le débit moyen en deçà de 24 m3/s, et d’éliminer à peu près complètement les "creux et les bosses" journaliers.

40La régulation en flux tendus pose donc un problème en cas d’arrivée brutale d’eau orageuse. En période de régulation, les émissaires retiennent de grandes quantités d’eau et ne possèdent pas les capacités nécessaires pour absorber l’augmentation due aux débits pluviaux. Mais aussi, en retenant l’eau à l’amont, tous les plans d’eau des réseaux ont grimpé, y compris dans les collecteurs départementaux, l’agglomération parisienne est devenue un immense plan d’eau commandé par l’aval. C’est l’ensemble des réseaux qui ne peut plus accueillir la lame d’eau. De plus, à partir du moment où il y a de la pluie dans tous les tuyaux, le remplissage du réseau est beaucoup plus rapide.

41L’étude de l’orage du 9 août 1994 (figure 7) montre comment le SIAAP tente de gérer l’épisode orageux pour limiter au maximum les déversements en Seine, tout en respectant les 3 consignes de la station d’Achères. Les techniciens considèrent qu’ils sont en situation d’orage à partir du moment où l’image radar indique une activité électrique intra-nuage et des impacts au sol, et lorsque sur l’image de l’intensité de la pluie, les valeurs dépassent les 12 mm/heure/m2. Cet épisode fait suite à trois autres épisodes très récents : celui du 4 août, du 5 et du 7 août 1994. L’orage du 9 août a été provoqué par le soulèvement en bloc de la masse d’air chaud au passage du front froid. Le soulèvement a engendré de fortes précipitations à l’avant de la perturbation. Les plus fortes intensités pluviométriques ont été recueillies sur cinq minutes au début de l’activité de l’épisode pluvieux. Au poste d’Asnières, entre 20 h20 et 20h40, il tombe la moitié de la hauteur d’eau recensée, soit pour des valeurs moyennes modérées de 20 mm, des hauteurs de plus de 100 mm/h. Au passage de l’agglomération par la perturbation, il n’y a pas d’écart significatif entre Paris et la banlieue, les précipitations frontales tombant sur une zone homogène se caractérisent généralement par des hauteurs d’eau modérées et une grande extension géographique de la zone pluvieuse (Matricon, 1996).

42Les agents du SCORE disposent de l’image du radar pluviométrique de Météo France pour voir l’arrivée de la pluie, de l’analyse de l’activité orageuse par le système SAPHIR, ce qui leur permet de tenir compte de l’intensité, de la vitesse de déplacement, et de la direction de la pluie estimée. La proximité du développement de l’orage n’a pas permis de prévoir son arrivée avec plus d’une heure trente d’avance (figure 8). Lorsque la pluie apparaît dans les émissaires vers 21 heures 08, depuis 19 heures 15 la régulation a déjà été cassée et on a délesté les émissaires des volumes d’eau qui y étaient stockés afin d’accueillir les débits supplémentaires. La surface hachurée représente le volume stocké dans les émissaires et que l’on a libéré pour faire face à l’importance prévue de l’orage. "La vidange du stockage provoque un abaissement du plan d’eau aval des émissaires et donc une augmentation du débit amont comme on peut le constater sur la courbe entre 19 hl5 et 22 hl5. La brusque arrivée de la pluie entraîne la montée rapide des plans d’eau à l’amont des émissaires, et notamment dans les bassins de Clichy. Les déversements provoqués à Clichy et à La Frette sont dus à l’intensité de la pluie qui a apporté des débits sur Achères supérieurs à la consigne maximale de 56,45 m3/s" (service du SCORE). Si les techniciens du SCORE n’avaient pas rapidement abaissé le niveau d’eau à l’amont, les eaux d’orage n’auraient pu entrer dans les collecteurs départementaux, et cela aurait occasionné des rejets en Seine. C’est ce qui s’est produit dans les débuts de la régulation, avec pour l’orage du 31 mai/1 juin 1992, 80 tonnes de poissons morts au barrage de Suresnes. L’expérience de la régulation a aussi montré qu’un fort volume d’eau surgissant brutalement, même dans un collecteur vide, n’arrivait pas à s’écouler. Aujourd’hui, le technicien, au moment du déstockage, conserve un petit volume d’eau qu’il met en mouvement, la vitesse de l’effluent créant un effet d’aspiration à l’aval, évitant le phénomène de bouchon et absorbant l’apport.

d) Un exemple des mesures prises pour limiter les déversements avec la régulation : les actions directes sur le milieu récepteur.

43L’impact des déversements en Seine sur le milieu naturel.

44Les déversements pendant les mois d’été interviennent dans une Seine fragilisée par un débit d’étiage faible (débit d’étiage quinquennal de 75 m3/s) et une température élevée (= 23°C). Le débit modifie la dilution des rejets et régit le temps de séjour des matières biodégradables dans les cours d’eau. Plus le débit est faible, plus les conditions sont critiques. Pour les fortes températures, la température fait varier le stock d’oxygène dissous dans l’eau et stimule l’activité de micro-organismes qui décomposent la pollution. Enfin, en période de forte insolation, la lumière du jour permet le développement des algues et de micro-organismes photosynthétiques. Dans cette eau affaiblie en oxygène, les déversements en Seine entraînent une consommation d’oxygène liée à la décomposition de la matière organique carbonée et azotée. La concentration en oxygène de l’eau descend en dessous de 1,5 mg/l, valeur critique pour la survie des poissons. Cette consommation d’oxygène - et l’anoxie qui s’installe temporairement - provoque une asphyxie des poissons et explique l’impact le plus spectaculaire des rejets urbains par temps d’orage : la mortalité piscicole. Il faut rappeler que les conséquences de pollution de la Seine sont de plus en plus spectaculaires après de violents orages du fait de l’augmentation du nombre de poissons par temps normal. En 1970, seuls 20 % des effluents de l’agglomération étaient traités, alors qu’aujourd’hui environ 80 % le sont. L’augmentation de l’épuration des effluents, les limitations des rejets en Seine, l’amélioration de la qualité de l’eau de rivière et le réempoissonnement de la Seine ont permis un retour des poissons. Toutefois, la mortalité des poissons dans la Seine est due aussi à l’existence des barrages de régulation du fleuve, qui empêchent les poissons de fuir pour chercher plus loin de l’oxygène. Pendant l’orage du 31 mai/1 juin 1992, c’est au barrage de Suresnes que se retrouvent 80 tonnes de poissons morts. (A l’inverse, les barrages de navigation ont, à leur aval, un effet réoxygénateur). L’ensemble des rejets à l’intérieur de Paris et du ru de Marivel sont responsables du secteur anoxique qui s’étale du centre de Paris jusqu’au barrage de Suresnes. Dans le bief Suresnes - Chatou - Bougival, ce sont les déversements SIAAP de Clichy et de La Briche, ainsi que ceux des ouvrages pluviaux départementaux répartis le long du parcours, qui occasionnent le phénomène.

45Pour les services du SIAAP, la réponse a consisté à injecter, par des tuyaux perforés, de l’oxygène dans la partie du fleuve fragilisée par la masse d’eau déversée, de façon à apporter 3 mg/l d’oxygène. L’opération "îlots de survie" a été lancée dès 1992 (figure 9). Toutefois, ces îlots ne pouvaient pas être localisés n’importe où ; or les installations de citernes d’oxygène liquide posaient des problèmes à la fois de sécurité, et d’intégration dans le paysage, les bords de Seine étant des sites classés. Il a donc fallu, en fonction de l’état du milieu naturel, du risque d’orage et des grandeurs des déversements, bien identifier la localisation des poches d’anoxie, pour être capable d’évaluer le délai au bout duquel doivent se manifester les déficits en oxygène et gérer au mieux les stocks d’oxygène liquide ; puis, rechercher des solutions architecturales acceptables par tous. En 1999, six sites sont équipés. L’exemple de l’orage du 07/06/1997 permet de retracer le fonctionnement de l’ilot de survie de Colombes. A cette date, le débit moyen de la Seine est de 90 m3/s, la température de 21,5 °C, la station de Clichy dans l’après-midi du 7 juin rejette 505 000 m3, soit un débit de pointe de 55,9 m3/s (figure 10). Les sondes indiquant une baisse brutale de l’oxygène dissous, l’agent de permanence met en route l’oxygénateur de Colombes dans la soirée, jusqu’à la soirée du 8 juin, où il l’arrête, constatant la remontée des concentrations. Sur le graphique, à partir de la valeur d’oxygène dissous stabilisée dans la journée du 9 juin, on peut, par différence avec la valeur lors du pic de pollution, évaluer le gain à environ 1,5 mg/l. La courbe estimée de ce qu’auraient été les concentrations en oxygène dissous sans fonctionnement de l’îlot permet de montrer que la survie piscicole aurait été menacée au cours de la journée du 8 juin.

CONCLUSION

46Ces différents éclairages sur les difficultés de gestion des réseaux lors des épisodes orageux permettent de faire ressortir qu’à côté des données naturelles des bassins versants, des milieux récepteurs, il est indispensable de bien connaître le fonctionnement des réseaux. Ces réseaux ont leurs dynamiques propres, à partir d’une certaine limite indépendante des ruissellements de surface, et s’imposant au milieu dans lequel les effluents se rejettent. Pour madame Claire Cogez, direction de l’eau et de l’assainissement de Seine Saint-Denis : "Nous nous heurtons à un seuil de difficulté en voulant associer dans une gestion globale le système d’assainissement et le milieu naturel". Si les dysfonctionnements des réseaux, que les pluies d’orage mettent en évidence, sont liés à la conception même du système, et pour être modifiés nécessitent des investissements lourds, les solutions reposent aussi sur les expériences des exploitants, leur mémoire et leur compétence. Derrière l’arsenal scientifique et législatif, les solutions apparaissent souvent comme le résultat des tâtonnements, d’une relative codification des procédures, et de la mise en commun des savoir-faire. Il reste, pour l’agglomération parisienne, à trouver la structure qui permette, au-dessus des différents services techniques et des organismes qu’ils représentent, de fédérer ces compétences.

Figure 1 : Les équipements de production d’eau potable en Île de France en 1999

Figure 2 : Qualité des rivières en 1994 selon la vie piscicole et la production d’eau potable

Figure 3 : Les usines de production d’eau potable à Paris et les contraintes amont

Figure 4 : Les usines de production d’eau potable à Paris et les contraintes amont

Figure 5 : Les différents types de réseau d’assainissement
(Source : Direction régionale de l’équipement d’Île de France, 1986)

Figure 6 : Le réseau centralisé de l’agglomération parisienne

Figure 7 : Développement de l’orage du 9 août 1994

Figure 8 : Gestion des débits à Clichy de l’orage du 9 août 1994

Figure 9 : Localisation des Îlots de survie en 1999 (Source :SIAAP)

Figure 10 :Le rôle de Îlot de survie de colombes lors de l’orage du 7juin 1997 (Sources :SIAAP)

Bibliographie

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Table des illustrations

Légende Figure 1 : Les équipements de production d’eau potable en Île de France en 1999
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Légende Figure 3 : Les usines de production d’eau potable à Paris et les contraintes amont
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Légende Figure 4 : Les usines de production d’eau potable à Paris et les contraintes amont
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Légende Figure 5 : Les différents types de réseau d’assainissement(Source : Direction régionale de l’équipement d’Île de France, 1986)
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Légende Figure 6 : Le réseau centralisé de l’agglomération parisienne
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Légende Figure 7 : Développement de l’orage du 9 août 1994
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Légende Figure 8 : Gestion des débits à Clichy de l’orage du 9 août 1994
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Légende Figure 9 : Localisation des Îlots de survie en 1999 (Source :SIAAP)
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Légende Figure 10 :Le rôle de Îlot de survie de colombes lors de l’orage du 7juin 1997 (Sources :SIAAP)
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