MAEDER--PRAT Swann
Doctorant : IAPHY
ENTPE, Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat
CNRS, UMR 5023 - LEHNA,
Laboratoire d'Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés
3, Rue Maurice Audin
F-69518 Vaulx-en-Velin Cedex France
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Les solutions fondées sur la nature (SfN) pour le traitement des eaux pluviales reposant sur l'infiltration et la filtration verticales de l'eau (également connues sous le nom de jardins de pluie, de filtres de biorétention, etc.) ont été de plus en plus mises en œuvre au cours des dernières décennies. En effet, des concepts tels que les systèmes de drainage urbain durable (SUDS), comprenant de tels SfN pour le traitement des eaux pluviales, sont devenus populaires en raison de la demande croissante de rétention et de traitement de qualité des eaux pluviales (pour la lutte contre les inondations, la protection des masses d'eau, la qualité des eaux de baignade, etc.). Les systèmes de traitement des eaux pluviales à écoulement vertical (SfN) recouverts de plantes sont des technologies très flexibles, puisque leur taille peut varier de quelques mètres carrés pour les installations en bord de route à un hectare pour les installations en bout de canalisation. La végétation joue un rôle important dans leur fonctionnement technique (traitement de la qualité de l'eau, hydraulique), leur aspect esthétique et le soutien de la biodiversité. Toutefois, à long terme, les communautés végétales de ces systèmes sont modifiées car les espèces initialement plantées sont remplacées en raison de la concurrence (voire disparaissent complètement), de conditions environnementales trop exigeantes (périodes de sécheresse prolongées alternant avec des chocs hydrauliques et polluants, sels de déverglaçage, accumulation de polluants et épuisement/excédent de nutriments en fonction de l'emplacement dans le système), et d'un entretien souvent négligé. La conductivité hydraulique change au fil du temps avec l'accumulation de sédiments et de polluants non dégradables à la surface du filtre (colmatage), dans les différents horizons du filtre et dans les systèmes racinaires des plantes. Des études récentes ont montré que la distribution spatiale présente des différences plus importantes que les études répétées dans le temps. Cela affecte la survie des plantes et des communautés microbiennes associées, ainsi que la capacité d'élimination des polluants.
Cependant, bien que la recherche de ces dernières années se soit de plus en plus concentrée sur la fonction à long terme des SfN, les études sur le dépôt de polluants dans les SfN d'eaux pluviales sont encore beaucoup trop limitées et se concentrent principalement sur les matières organiques et les métaux. Cette lacune dans les connaissances doit être comblée en évaluant les polluants organiques (tels que les PFAS, les (oxy-)HAP, les PCB, les phtalates, etc.), ainsi que les microplastiques dans les analyses, car ils n'ont été étudiés que de manière sporadique.
La thèse de doctorat sera intégrée au projet international BioReStorm financé dans le cadre du programme BiodivNBS. Dans le cadre de ce projet, il est prévu qu'une autre doctorante, Manon Sabaté, travaille sur différents aspects de l'impact des plantes/microorganismes/polluants dans les eaux pluviales NbS, et que les deux doctorantes collaborent partiellement à la mise en place de dispositifs expérimentaux et d'enquêtes sur le terrain. D'autres recherches dans le cadre du projet seront menées par des doctorants en Estonie (Université de Tartu) et au Canada (Université de Montréal), ce qui permet un échange vivant et une vision plus large des sujets de doctorat.
Objectifs scientifiques
La thèse de doctorat vise à évaluer l'accumulation de polluants, la conductivité hydraulique et la présence de communautés végétales et microbiennes dans des solutions naturelles à grande échelle pour le traitement des eaux pluviales en fonction de l'emplacement dans les systèmes de traitement (distance au point d'alimentation) au fil du temps et des facteurs critiques qui conduisent à un (mauvais) fonctionnement hydraulique et de traitement.
Nature-based solutions (NbS) for stormwater treatment relying on vertical water infiltration and filtration (also known as rain gardens, bioretention filters, etc.) have been increasingly implemented in the last decades. Indeed, concepts such as Sustainable Urban Drainage Systems (SUDS), including such stormwater NbS, became popular given the rising demand for stormwater retention and quality treatment (for flood control, water body protection, bathing water quality, etc.). Plant-covered vertical-flow stormwater NbS are very flexible technologies since sizing can vary from a few square metres for road-side installations to a hectare in end-of-pipe settings. The vegetation plays an important role for their technical functioning (water quality treatment, hydraulics), aesthetic appearance, and support of biodiversity. However, in the long term, plant communities of such systems are modified as initially planted species are replaced due to competition (if not disappear completely, too demanding environmental conditions (extended drought periods alternating with hydraulic and pollutant shock loads, de-icing salts, pollutant accumulation, and nutrient depletion/surplus depending on location within the system), and often neglected maintenance. Hydraulic conductivity changes over time with accumulation of sediment and non-degradable pollutants at the filter surface (clogging), in different filter horizons and plant root systems. Recent investigations have shown that spatial distribution shows bigger differences than repeated investigations over time. This, in turn, affects the survival of plants and associated microbial communities, as well as the pollutant removal capacity.
However, although research in recent years has increasingly focused on long-term function of NbS, investigations on pollutant deposition in stormwater NbS are still far too limited, and mainly focus on organic matter and metals. This knowledge gap must be closed by evaluating organic pollutants (such as PFAS, (oxy-)PAH, PCB, phthalates etc.), as well as microplastics into the analyses, as these have been investigated only sporadicallye.
The PhD thesis will be embedded in the international project BioReStorm financed under the BiodivNBS scheme. Within the project, it is planned that another PhD student, Manon Sabaté , will work on different aspects on plant/microorganism/pollutant impact in stormwater NbS, and both PhD students will collaborate partially on experimental setups and field investigations. Further investigations within the project will be conducted by PhD students in Estonia (University of Tartu) and Canada (Université de Montréal), which allows for a vivid exchange and a broader vision on the PhD topics.
Scientific objectives
The PhD thesis aims at assessing pollutant accumulation, hydraulic conductivity and plant-microbial community presence in full-scale Nature-based Solutions for stormwater treatment depending on location within the treatment systems (distance to feeding point) over time and the herein lying critical factors leading to hydraulic and treatment (mal-)function.
