Monitoring infiltration under a real on-site treatment system of domestic wastewater and evaluation of soil transfer function (Paris Basin, France)

The problematic of evacuation of treated domestic wastewater has been investigated through a field study on a real undrained on-site treatment system (UOSTS). This system imposes a special mode of infiltration into the soil which is irregular. In order to characterize the hydraulic properties of this type of flow, soil texture, organic matter content and in situ saturated hydraulic conductivity (Ks) were measured for each of 15 m² of soil under the bottom of the UOSTS. In addition, the variation of water table and rainfall and the evolution of soil moisture and matrix potential were monitored by using the sensors implanted under the system. The mean of the measured Ks is 100 times higher than values deduced from empirical pedotransfer functions based on the soil matrix properties. The measured Ks vary greatly on the 15 m² area. Moreover, large and variable quantities of stone fragments (> 2 mm) were found in the soil samples. These results suggest that a heterogeneous flow may occur in the stony soil via the macropores which shortcut the soil matrix. Indeed, according to their position, a non-uniform reaction of the sensors to the infiltration of treated wastewater was observed. In addition, two daily periodic peaks of water consumption in the house have been detected by the water content and tensiometer probes, confirming that the saturation rate is controlled by infiltration and not the water table

Evapotranspiration evaluation using three different protocols on a large green roof in the greater Paris area

Nature-based solutions have appeared as relevant solutions to mitigate urban heat islands. To improve our knowledge of the assessment of this ecosystem service and the related physical processes (evapotranspiration), monitoring campaigns are required. This was the objective of several experiments carried out on the Blue Green Wave, a large green roof located in Champs-sur-Marne (France). Three different protocols were implemented and tested to assess the evapotranspiration flux at different scales: the first one was based on the surface energy balance (large scale); the second one was carried out using an evapotranspiration chamber (small scale); and the third one was based on the water balance evaluated during dry periods (point scale). In addition to these evapotranspiration estimates, several hydrometeorological variables (especially temperature) were measured. Related data and Python programs providing preliminary elements of the analysis and graphical representation have been made available. They illustrate the space–time variability in the studied processes regarding their observation scale. The dataset is available at https://doi.org/10.5281/zenodo.8064053 (Versini et al., 2023).</p

Use of green roofs to solve storm water issues at the basin scale – Study in the Hauts-de-Seine County (France)

International audienceAt the building scale, green roof has demonstrated a positive impact on urban runoff (decrease in the peak discharge and runoff volume). This work aims to study if similar impacts can be observed at basin scale. It is particularly focused on the possibility to solve some operational issues caused by storm water.For this purpose, a methodology has been proposed. It combines: a method to estimate the maximum roof area that can be covered by green roof, called green roofing potential, and an urban rainfall-runoff model able to simulate the hydrological behaviour of green roof.This methodology was applied to two urban catchments affected one by flooding and the other one by combined sewage overflow. The results show that green roof can reduce the frequency and the magnitude of such problems depending on the covered roof surface. Combined with other infrastructures, they represent an interesting solution for urban water management

Characterization of the Evapotranspiration flux on a Blue Green Solution (Blue Green Wave)

International audienceThe rapid growth of urban areas, jointly with the effects of climate change, is the major challenge to face the transition towards sustainable cities. Climate change leads to substantial modifications of the water cycle in cities, increasing the frequency of intense precipitation, drought and heat wave events. The replacement of natural surfaces by dark and impervious ones is the main cause of Urban Heat Islands (UHI) phenomenon. UHIs are microclimates characterized by significant temperature differences between inner cities and the surrounding rural areas. Part of a solution to tackle this issue is the re-naturalization of cities through the installation of Blue Green Solutions (BGS), such as green roofs, favoring the evapotranspiration (ET) process and thus reducing the air temperature. To benefit BGS implementation, it is crucial to understand the thermo-hydric processes that govern them. For this purpose, the ET process of a 1 ha green roof implemented in front of the Ecole de Ponts ParisTech (France) called Blue Green Wave (BGW) was studied to determine its possible cooling effect to mitigate UHIs. Therefore, three methods were tested and compared to estimate ET: (i) the water balance during dry periods through the difference on the soil moisture content measured via a wireless sensors network, (ii) the absolute humidity measured by a dynamic transpiration chamber, and (iii) a scintillometer to assess the sensible heat flux, which allows to deduce the latent heat flux by computing the energy balance. The wireless sensors demonstrated to assess correctly ET trends over long time periods, while the dynamic chamber allows to identify more precisely the ET behavior during shorter periods of measurement due to a better resolution. Indeed, ET computed via the water budget appeared significantly high compared to the values estimated by the dynamic chamber, and without showing an obvious daily pattern. In addition, ET trends estimated by both scintillometer and transpiration chamber methods were very close, but the corresponding values suffered from a significant difference. The divergence in ET flux computed by the three methods can be caused by: (1) errors in the sensible heat flux estimated by the scintillometer, leading overestimations of the latent heat flux; (2) noisy data of soil water content, induced by the rainfall events and the local soil characteristics where the sensors are implemented, and (3) modifications of the atmospheric conditions within the transpiration chamber. More generally, ET appeared higher in spring season and during the first days of summer, when high temperatures were reached and soil water content was enough to support ET without inducing a deficit for plants. Conversely, despite significant temperatures at the end of summer, ET rate was lower due to the lack of water content in the soil. This suggests that during summer, when the UHI intensity is stronger and the cooling effects of the green roofs are needed, the ET potential could not be sufficient. To go further in the space-time characterization of ET flux, additional experiments and multi-fractal analysis will be carried out soon

Suivi du fonctionnement d’une toiture végétalisée stockante

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La gestion alternative des eaux pluviales permet-elle une maîtrise efficace des flux de micropolluants? Retour d'expérience des projets Matriochkas, MicroMégas et Roulépur

Novatech 2019, LYON, FRANCE, 01-/07/2019 - 05/07/2019The pooling of results from three French projects (Matriochkas, MicroMégas and Roulépur), within the framework of a working group on methodological harmonisation, makes it possible to analyse the performance of a wide range of stormwater control measures (SCMs) in terms of micropollutant load reduction. Data covers 12 management systems, in 9 different urban contexts. The results highlight the diversity of runoff contamination levels and of their distribution between dissolved and particulate phases. They show significant reductions in particulate pollutants for all filtration-based systems, and less for those that only allow sedimentation. Performance is more limited for the dissolved phase, for which concentration reduction is limited and significant load reductions are only achieved due to a reduction in runoff volumes in structures promoting evapotranspiration.La mise en commun de résultats issus des projets français Matriochkas, MicroMégas et Roulépur, dans le cadre d'un groupe de travail d'échanges et d'harmonisation méthodologiques, permet d'analyser l'efficacité de la gestion alternative des eaux pluviales en termes de réduction des flux de micropolluants, pour 12 dispositifs de gestion et 9 contextes urbains différents. Les résultats soulignent la diversité des niveaux de contamination des eaux de ruissellement, et de leur distribution entre phases dissoutes et particulaires. Ils démontrent des abattements importants des polluants particulaires pour l'ensemble des systèmes basés sur la filtration, et moindre pour ceux ne permettant que la sédimentation. Les performances sont plus limitées pour les concentrations dissoutes, de sorte que seul un abattement des volumes de ruissellement, dans les ouvrages favorisant l'évapotranspiration, permet une réduction significative des flux de micropolluants dissou

Le développent d'un guide méthodologique pour l'évaluation des performances des ouvrages de maîtrise à la source des eaux pluviales

Novatech 2019, LYON, FRANCE, 01-/07/2019 - 05/07/2019Evaluating the performance of sustainable drainage systems (SuDS) in a field context presents a number of methodological problems. For this reason, as a part of three French research projects focused on this type of evaluation, Matriochkas, Micromegas and Roulepur, a working group on methodological harmonisation was established in order to facilitate the inter-comparison of results between the projects and propose a methodological guideline for practitioners carrying out such evaluations. The guideline proposes an approach where performance is evaluated with respect to a service function that the SuDS aims to achieve, itself identified from local issues. Its first section presents the various service functions which may be assigned to these devices. Next, performance indicators are defined for a selection of the identified service functions, common within the French context and studied as a part of the three projects. Three categories of indicators are identified: hydrologic indicators (relative to water flows), pollutant indicators and socio-technical indicators. Examples of instrumentation and of the application of the proposed indicators drawn from the experience of the three projects are also presented.L'évaluation in situ des performances des ouvrages de maîtrise à la source des eaux pluviales pose un grand nombre de questions d'ordre méthodologique. Ainsi, dans le cadre de trois projets de recherche français dédiés à ce type d'évaluation, Matriochkas, Micromegas et Roulépur, un groupe de travail sur l'harmonisation des méthodes a été constitué afin de faciliter l'inter-comparaison des résultats issus des projets, mais aussi de rédiger un guide méthodologique à destination des acteurs opérationnels pouvant être amenés à faire ce type d'étude. Ce guide propose une démarche où la performance est évaluée pour chaque fonction de service visée pour l'ouvrage, en réponse à des enjeux locaux. La première partie du guide détaille les fonctions de service pouvant être attendues de ce type d'ouvrage. Ensuite, des indicateurs de performance sont déclinés pour une sélection de fonctions de service couramment rencontrées dans le contexte français et qui ont pu être abordées au cours des projets. Ces indicateurs se regroupent en trois catégories: les indicateurs hydrologiques (relatifs aux flux d'eau), les indicateurs pollutifs (relatifs aux polluants) et les indicateurs sociotechniques. Le guide s'appuie sur des exemples issus des trois projets pour présenter des cas pratiques de dispositifs métrologiques et d'application des indicateurs proposés

RÔLE DE L'OCCUPATION DU SOL VIS À VIS DE LA MODÉLISATION DES FLUX ENERGÉTIQUES ET HYDRIQUES EN MILIEU URBAIN ET PÉRIURBAIN

National audienceLe projet Rosenhy vise à étudier l’impact de l’occupation du sol sur la modélisation météorologique et hydrologique en termes de flux énergétiques et hydriques, en milieu urbain et périurbain. Trois sites appartenant aux observatoires français OTHU et ONEVU sont au centre de ce projet. Le quartier urbain hétérogène du Pin sec (Nantes), imperméabilisé à environ 45%, a fait l’objet d’une campagne expérimentale durant le mois de juin 2012, visant à estimer les flux de chaleur sensible et latente avec une haute résolution spatiale et temporelle par rapport aux mesures réalisées en continu sur ce site depuis 5 ans. Deux bassins versant périurbains (La Chézine à Nantes et l’Yzeron à Lyon), avec un taux d’imperméabilisation moins important (environ 10%) mais grandissant depuis plusieurs décennies, sont aussi étudiés. Ces deux derniers sites bénéficient d’un suivi hydrométéorologique depuis 10 ans pour la Chézine et 15 ans pour l’Yzeron. Sur ces trois sites, différentes sources de données d’occupation du sol à différentes résolutions sont disponibles :différentes bases de données géographiques communément utilisées par la communauté scientifique et les collectivités et des données télédétectées (multispectrales et hyperspectrales). L’utilisation de ces données en entrée de différents modèles météorologiques et hydrologiques implique un travail d’analyse et de classification pour adapter les informations aux besoins des modèles. Dans ce projet, les différents modèles adaptés au milieu urbain ou périrubain sont évalués et améliorés. Ainsi, les modèles hydrologiques périrubains sont en développement pour prendre en compte les différentes pratiques de gestion des eaux pluviales existantes (noues, toitures végétalisées, ...). L’utilisation conjointe des données simulées par les différents modèles aidera à déterminer le rôle de la part des surfaces naturelles et artificielles sur les bilans énergétique et hydrique en milieu plus ou moins urbanisé. Le milieu périurbain étant en évolution, le projet s’intéressera aussi à des scénarios d’urbanisation prospectifs en regardant d’une part l’impact de la densification sur les scénarios construits pour l’Yzeron lors du projet AVuPUR (ANR-VMCS, 2008-2011) et d’autre part, en réfléchissant conjointement avec Nantes Métropole, aux possibles voies d’évolution sur le bassin de la Chézine

Bilan hydrique des voiries urbaines (observations et modélisation)

Les voiries urbaines produisent des débits importants à cause du ruissellement de l eau en surface. La présence de ce ruissellement fort pose des problèmes environnementaux et la présence d eau en surface, des problèmes de sécurité routière. L objectif de ce travail est d étudier la formation du ruissellement sur les voiries. Pour cela le ruissellement est étudié en relation avec les autres termes qui composent le bilan hydrique d une voirie. Une première partie expérimentale effectuée sur des plaques d enrobé de voirie (surface de 0,5 m ) montre que les pertes au ruissellement sont principalement constituées par le stockage d eau à la surface et à l intérieur de l enrobé au cours de l événement pluvieux. Puis l eau stockée est ensuite évaporée. Afin de mieux comprendre l évaporation, une expérience de comparaison de différentes méthodes d estimation de l évaporation est réalisée au-dessus d un parking (surface de 2500 m ). Cette expérience a mis en avant la difficulté d une telle mesure pour ce type de surface.L étude de deux tronçons de voirie (surfaces de 477 et 311 m ), suivis pendant 38 mois au LCPC-Nantes, montre que les coefficients de ruissellement sont variables et que les pertes au ruissellement sont non négligeables (entre 30 et 40 % de la pluie selon le tronçon). Un modèle simple de pertes au ruissellement construit à partir de pertes initiales et continues ne permet pas de reproduire de façon satisfaisante le coefficient de ruissellement. Enfin pour compléter ces observations expérimentales, un modèle à base physique est utilisé. Ce modèle associe un module d écoulement en milieu poreux et un module de ruissellement. Le transfert du ruissellement dans le caniveau est simulé par le modèle de Muskingum. Ce modèle est appliqué aux tronçons de voiries étudiés expérimentalement. Une étude de sensibilité du modèle montre l influence de la conductivité hydraulique à saturation et de la capacité de stockage de l enrobé.Urban roads produce important flow because of water runoff. This significant runoff involves environmental problems and water on road surface involves problems of safety road. The objective of this work is to study the formation of the runoff on the roads. So the runoff is studied in relation to the other terms constitutive of the water budget on a road. A first experimental part carried out on bituminous plates of road (area of 0.5 m ) shows that the runoff losses are mainly composed by storage of water on the surface and inside the bituminous plate during the event. Then the intercepted water is evaporated. In order to better understand evaporation, an experimental comparison of different methods of evaporation estimation is carried out above a carpark (area of 2500 m ). This experiment put ahead the difficulty of such measurement for this kind of surface. The study of two roads stretches (area of 477 and 311 m ), instrumented during 38 months on the LCPC-Nantes, shows that runoff coefficients are variable and that runoff losses are considerable (between 30 and 40 % of the rain according to the stretch). A simple model of losses built from initial and continuous losses cannot reproduce correctly runoff coefficients. Finally to supplement these experimental observations, a physical based model is applied. This model associate a module of flow in porous media and a runoff module. The runoff transfer in the gutter is simulated by the Muskingum s model. This model is applied to experimental studied roads stretches. A sensitivity analysis shows the influence of saturated hydraulic conductivity and of storage capacity of the bituminous.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

An urban lysimeter to assess runoff losses on asphalt concrete plates

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