Piège hydraulique

Le piège hydraulique ou confinement hydraulique n’est pas un traitement en tant que tel. Il consiste seulement à maintenir les eaux souterraines polluées dans un espace prédéfini afin de ne pas générer de pollution en aval.

Ce confinement peut être réalisé de manière active (par pompage) ou de manière passive (via des tranchées drainantes).

Le procédé correspond à la première partie du pompage-traitement. A l’inverse du confinement physique (dont le but est d’empêcher les écoulements hydrauliques), le Piège hydraulique consiste, quant à lui, à favoriser l’écoulement des eaux souterraines en un point prédéfini en vue d’un traitement.

Ce confinement peut être réalisé de manière active (par pompage) ou de manière passive (via des tranchées drainantes).

1. Piège hydraulique actif (pompage)

Le pompage permet d’extraire les eaux souterraines ainsi que les polluants organiques ou minéraux en phase dissoute dans la zone saturée et la frange capillaire et de les diriger vers des points d’extraction en vue de traitement. Un rabattement en un ou plusieurs points de la nappe est alors créé (augmentation du gradient hydraulique).

Le confinement hydraulique actif consiste à contenir ou réduire le panache de pollution par pompage en bloquant ou en inversant l'écoulement naturel des eaux souterraines. Ces techniques peuvent être réalisées seules ou en complément du Confinement vertical ou du Confinement par couverture et étancheification. Ces techniques nécessitent une surveillance accrue des installations de pompage ou de drainage. Ces techniques traitent le panache plutôt que la source de pollution. Il est donc judicieux de traiter, si possible, au préalable la source de pollution.

La circulation d’eau induite par le pompage permet de générer un renouvellement de l’eau dans les pores de la zone saturée. Les équilibres de phases sont alors déplacés, ce qui implique :

• que l’eau en passant dans une zone polluée va se charger en polluants,
• que les concentrations en polluants adsorbés sur la matrice solide (dans la zone capillaire et la zone saturée) et présents sous forme gazeuse (zone vadose) vont légèrement diminuer.

Préalablement à la mise en place du traitement, il conviendra de trouver un exutoire pour les eaux pompées. Le choix du point de rejet est primordial. Dépendamment du contexte environnemental, des débits pompés et des autorisations administratives, les rejets pourront être réalisés :

• à certaines concentrations, dans les réseaux d’eaux usées, les réseaux d’eaux pluviales, les eaux superficielles, la nappe (réinjection),
• dans certains cas dans des centres d’élimination agréés. En pratique, étant donnés les volumes pompés, l’élimination en centre agréé est peu fréquente ; elle se limite à des rejets faibles et concentrés.

Les conditions hydrogéologiques ainsi que le type de pollution doivent être considérées avec précision durant la phase de conception : panache de pollution, sens d’écoulement et débits des eaux souterraines, débits de pompage, débits de réinjection, caractéristiques chimiques.

Figure 1 - Exemple de piège hydraulique actif (pompage).

2. Piège hydraulique passif (tranchée drainante)

L’autre approche consiste à creuser des tranchées et y installer des drains afin d’intercepter les eaux souterraines en vue d’un traitement.

La position de la tranchée drainante est soit en amont soit en aval de la source de pollution.

Les massifs filtrants doivent présenter une perméabilité suffisante, par rapport à celle du terrain, pour obtenir un rabattement maximal de la tranchée, avoir une granulométrie adaptée au terrain, et dans le cas de tranchées drainantes composites, présenter des capacités rétentrices envers la pollution à traiter (le traitement est alors proche de BPR). Les tranchées sont généralement composées de matériaux très perméables (de l’ordre de 10^-2 à 10^-3 m/s).

Des pompes de faibles débits positionnées à l’intérieur de ces tranchées permettent de récupérer les polluants. Afin de faciliter la récupération des polluants, des géomembranes sont souvent positionnées en aval immédiat du massif filtrant. On se rapproche alors d’un pseudo-confinement. Les débits en jeu sont nettement inférieurs à ceux du Piège hydraulique.

Figure 2 - Exemple de piège hydraulique passif (tranchée drainante).

Les moyens matériels nécessaires au Piège hydraulique ou confinement hydraulique sont les suivants :

•  piège hydraulique actif (pompage) :
  • matériel d’extraction : puits verticaux, puits horizontaux, pompes (immergées, de surface ...), tuyauteries, tranchées, galeries d’infiltration, compteur...,
  • un système de traitement des eaux usées on site,
  • un stockage des déchets solides et liquides issus du traitement,
  • un système piézométrique permettant de suivre les écoulements et la qualité des eaux souterraines.
•  piège hydraulique passif (tranchée drainante) :
  • matériel pour la tranchée drainante : matériaux drainants (ballast, gros graviers), drains (agricoles par exemple), pompes (immergées, de surface ...), si nécessaire géomembrane, matériel imperméable,
  • un système de traitement des eaux usées on site,
  • un stockage des déchets solides et liquides issus du traitement,
  • un système piézométrique permettant de suivre les écoulements et la qualité des eaux souterraines.

Les paramètres à suivre lors d’une opération de confinent hydraulique sont les suivants :

• la piézométrie,
• la qualité des eaux souterraines en amont, en aval et au droit de la source de pollution et du confinement hydraulique :
  • les paramètres pH, O₂, température, conductivité,
  • les concentrations en polluants,
  • les concentrations en métabolites éventuels,
  • les concentrations en polluants initialement absents dans les eaux souterraines mais pouvant éventuellement être mobilisés (métaux …),
  • les concentrations en polluants dans les rejets aqueux (respect des normes de rejets).
• les débits d’eau pompés,
• les paramètres relatifs au traitement des eaux (ex. : bilan de matière, séparation, rejets…).

Dépendamment des conditions environnementales et des enjeux à protéger, les pièges hydrauliques peuvent être implantés au pourtour, en aval ou en amont de la source de pollution.

Les variantes, ou plutôt les techniques complémentaires au piège hydraulique actif (pompage) et au piège hydraulique passif (tranchée drainante) sont le Pompage-écrémage et le Pompage et traitement.

Par ailleurs, les pièges hydrauliques sont souvent utilisés en complément des confinements verticaux et des confinements par couverture et étanchéification, ce qui présente l’avantage de diminuer les débits d’eaux souterraines à traiter.

Le confinement hydraulique est une technique relativement universelle puisqu’elle s’applique sur les pollutions organiques et minérales, qu’elles soient sous forme libre ou dissoute : composés organiques (semi-)volatiles, composés halogénés organiques (semi-)volatils, PCB, et certains métaux/métalloïdes.

1. Faisabilité

La faisabilité d’un traitement est évaluée à l’aide d'essais :

• d’orientation qui visent à valider la possibilité de mettre en œuvre une technique de dépollution,
• d’évaluation des performances qui servent à vérifier l’atteinte des objectifs et permettent d'estimer la vitesse du traitement donc sa durée.

Le guide méthodologique « Traitabilité des sols pollués » de l’ADEME (2009), vous donnera des éléments vous permettant de vérifier la faisabilité de la technique sur votre site.

2. Dimensionnement

Le dimensionnement relève d’un travail d’ingénierie en aval des essais de faisabilité.

Les principales données nécessaires au confinement hydraulique concernent les données hydrogéologiques et l’impact du confinement sur le comportement de la nappe.

a. Piège hydraulique actif (pompage)

Les caractéristiques de la source de pollution (géométrie, concentration), les seuils de dépollution et le contexte géologique/hydrogéologique vont permettre de définir :

• la surface du panache interceptée,
• les débits transitant à travers cette tranchée,
• les caractéristiques de la tranchée drainante : profondeur d’ancrage, largeur, hauteur, débit à canaliser, compatibilité des matériaux…
• l’implantation des drains et les conséquences sur les débits des eaux souterraines, sur les niveaux piézométriques en fonction des différentes conditions envisagées (régime transitoire, hautes eaux, basses eaux …),
• les variations des niveaux de la nappe en fonction des débits et des différentes conditions envisagées (régime transitoire, hautes eaux, basses eaux …),
• la nécessité d’un bassin tampon,
• la puissance des pompes,
• les dimensions de la filière de traitement (en fonction des concentrations d’entrée, des débits et des normes de rejets en sortie).

b. Piège hydraulique passif (tranchée drainante)

Les caractéristiques de la source de pollution (géométrie, concentration), les seuils de dépollution et le contexte géologique/hydrogéologique (perméabilité, présence de matière organique, hétérogénéité, piézométrie, coefficient d’emmagasinement, conditions aux limites …) vont permettre de définir :

• le rayon d’action des points d’extraction en fonction des cônes de rabattement,
• le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’extraction (profondeur, diamètre, puits, tranchées pour les profils géologiques stratifiés ou très peu perméables....),
• le type et la puissance des pompes,
• les dimensions de la filière de traitement (en fonction des concentrations d’entrée, des débits et des normes de rejets en sortie),
• en cas de réinjection dans la nappe : le nombre, l'espacement et les caractéristiques des points d’injection (profondeur, diamètre, tranchées, puits..),
• les effets sur les eaux de surface avoisinantes,
• les variations des niveaux de la nappe en fonction des débits et des différentes conditions envisagées (régime transitoire, hautes eaux, basses eaux …),
• l’évolution de la concentration et du panache de pollution.

L’Union des Professionnels de la Dépollution des Sites (UPDS) a déterminé les paramètres à fournir pour permettre le dimensionnement des traitements :

a. Définition du projet

• Délais,
• Objectifs de traitement (sols et/ou eaux et/ou gaz du sol),
• Seuils de dépollution ou profondeur/volume,
• Seuils de rejet.

b. Site

• Accessibilité : au site, au chantier, à la zone de travail,
• Obstacles aériens et de surface (y compris encombrants),
• Obstacles souterrains (réseaux enterrés, fondations, blocs ...),
• Présence d'ouvrages avoisinants, bâtiment,...,
• Contraintes liées à l'environnement, aux riverains,
• Site en activité, coactivité,
• Durée de mise à disposition des terrains,
• Contraintes H&S et réglementaires liées au site,
• Topographie de surface,
• Surface disponible pour unité,
• Utilités et distance par rapport à la zone de traitement (eau, électricité - pour électricité : puissance),
• Gardiennage (prévu ? ou à prévoir ?),
• Ouvrages existants pouvant être réutilisés (coupe technique de l'ouvrage ou, à défaut : diamètre, profondeur et équipement).

Pour les traitements d'eau :

• Emplacement du point de rejet

c. Sol ou matériau à traiter

• Géologie /lithologie ou nature des sols
• Hétérogénéité,
• Taux de matière organique,
• Humidité,
• Température des sols.

d. Polluants

• Type (nature),
• Concentrations (cartographies de pollution dans les sols, l'eau, les gaz du sol),
• Présence de produit pur (flottant, coulant, piégé…),
• Estimation du stock,
• Densité,
• Présence de produit pur,
• Gradient concentration verticale si d>1,
• Empreinte chromatographique (GC/FID),
• Solubilité,
• Coefficient de partition eau/sols.

e. Aquifère

Données locales issues d'essai de pompage :

• Perméabilité,
• Coefficient d'emmagasinement,
• Porosité,
• Gradient,
• Épaisseur de la nappe,
• Profondeur,
• Niveau statique,
• Épaisseur de la ZNS,
• Amplitude des variations saisonnières,
• Anisotropies,
• Carte piézométrique / direction d'écoulement,
• Conditions aux limites.

f. Géochimie nappe

• pH,
• Conductivité,
• Potentiel redox,
• MES,
• Teneur O₂ dissous,
• Carbonates et Hydrogénocarbonates,
• Sulfates,
• Fer dissous,
• Manganèse dissous,
• H₂S dissous.

Le Piège hydraulique présente les avantages suivants :

• technique fiable et éprouvée,
• mise en œuvre relativement simple et rapide,
• le procédé permet de traiter la phase dissoute relativement efficacement (surtout pour des polluants solubles),
• applicabilité à de nombreux polluants,
• peu de perturbation de sols,
• envisageable sous des bâtiments,
• afin d’améliorer les rendements épuratoires, on peut y associer des procédés chimiques (lavage), biologiques et physiques (fracturation hydraulique),
• association possible à un traitement de la zone vadose (Lavage, Venting …),
• le procédé permet de stopper la migration des polluants en créant des points de fixation de la contamination dissoute,
• un des rares procédés à pouvoir traiter les DNAPL,
• la position des piézomètres et des crépines permet de cibler précisément les zones à traiter,
• profondeurs de pompage de l’ordre de plusieurs dizaines de mètres si nécessaire,
• la réinfiltration en amont des eaux pompées et traitées permet de limiter les flux vers l’extérieur et de forcer les écoulements au sein du Piège hydraulique.

Ses inconvénients et facteurs limitants sont les suivants :

• les pollutions ne sont pas détruites et restent en place : aucune action n’est réalisée sur le volume et la toxicité de la source. La seule action est relative à la réduction importante du transfert de pollution ; le confinement devra donc perdurer pendant tout le relargage de la source,
• il est nécessaire de réaliser un suivi à très long terme,
• une variation importante de la profondeur du toit de la nappe constitue un obstacle important au bon fonctionnement du procédé (lorsque le confinement concerne la partie haute de la nappe),
• il est nécessaire d’entretenir le confinement afin d’assurer sa pérennité de son bon fonctionnement (usure des pièces, colmatage..) ; il est d’usage dans des cas extrêmes de fonctionner avec un système de pompage en secours opérationnel,
• le pompage de l'eau est une technique dont la durée peut être de plusieurs années, ceci est dû au fait que la source de pollution n’est pas traitée, le pompage ne fait que traiter les effets. Il faudra donc attendre l’épuisement au moins partiel de la source de pollution pour arrêter le confinement hydraulique,
• le confinement hydraulique nécessite souvent des mesures de traitement et de confinement complémentaires (traitement de la source de pollution, Confinement par couverture et étanchéification, Confinement vertical, Encapsulation, Mesures constructives…) afin d’en améliorer le fonctionnement et de diminuer les volumes pompés,
• dans des aquifères de grandes perméabilités, les volumes traités et donc les coûts de fonctionnement sont importants,
• dans certaines conditions, le confinement hydraulique peut s’étaler sur des décennies, ce qui engendre in fine des coûts de traitements importants (procédé énergivore),
• le traitement ou la réinjection de certains contaminants soulèvent des problèmes de sécurité,
• toute la finesse du pompage réside dans le fait qu’il faut retenir la pollution et ne pas pomper des eaux non souillées. Le but est de ne pas générer des coûts de pompage importants et donc des coûts de fonctionnement élevés,
• plus les polluants sont hydrophobes, plus leur récupération sera longue, car ces polluants ont des affinités avec les matières organiques présentes dans les zones saturées et non saturées et ont un coefficient de partage sol/eau élevé,
• la prédiction notamment en termes de rétention de la pollution par modélisation est des plus difficiles ; il est arrivé de revoir l’intégralité du pompage après les premiers mois de confinement. La modélisation numérique est souvent requise,
• si le panache de pollution s’étendait, par défaut de pompage et de monitoring, cela engendrerait des coûts environnementaux et économiques importants,
• émanations gazeuses à prendre en considération notamment dans le cadre de l’usage futur,
• l’utilisation de cette technologie n'exemptet pas forcément d'un traitement futur (non maîtrise de la pollution, reconversion nouvelle du site …),
• efficacité limitée dans le cas d’aquifère de faible perméabilité, non homogène et/ou fracturé (passages préférentiels à travers les zones les plus perméables à l’eau),
• sans une maîtrise totale du sens d’écoulement des eaux souterraines, il y a un risque de dissémination de la pollution,
• en complément, les tranchées présentent aussi les inconvénients suivants :
  • coûts d’investissement plus élevés que pour le confinement hydraulique actif, par contre les coûts de fonctionnement sont moindres,
  • temps de traitement plus importants qu’avec le confinement actif,
  • les profondeurs supérieures à 10-15 m ne sont technico-économiquement pas conseillées,
  • les tranchées à ciel ouvert peuvent favoriser la volatilisation,
  • les tranchées sont inefficaces si les eaux s’écoulent verticalement.

En 2009, il est admis que les prix du pompage évoluaient entre 2 à 40 €/m³ d’eaux pompées (hors traitement des eaux et pour des puits inférieurs à 15 m de profondeur) (estimations 2009). Les coûts du confinement hydraulique actif dépendent de la profondeur et du nombre de puits, des débits, du temps de pompage nécessaire et de la filière de traitement. (BRGM, 2010)

D'après une actualisation des prix fournie par l'UPDS en septembre 2019, la moyenne basse estimée est de 10 €/m³, la moyenne haute de 15 €/m³ et le maximum de 30 €/m³ d'eaux traitées en place (hors consommation électrique et hors traitement des eaux pompées). 

Pour mémoire, il est toutefois rappelé que ces tarifs ne sont que des estimations tirées du retour d'expérience des acteurs du domaine des Sites et Sols Pollués et pourront varier plus ou moins significativement d'un site à l'autre, notamment en fonction des polluants, des bilans massiques, de la complexité à atteindre la pollution et à intervenir sur le site. S'ils peuvent permettre d'obtenir une fourchette de prix avant la réalisation d'un projet, un budget réaliste ne pourra être obtenu qu'en faisant appel à un professionnel du domaine des Sites et Sols Pollués.

Répartition des coûts :

Le coût total a été réparti selon trois types de charges :

• Charges exceptionnelles correspondant au coût de la phase initiale (phase pilote, mise en place du chantier : installation d’une unité de traitement, préparation du terrain) et intervenant de façon unique (au démarrage du chantier par exemple) ;
• Charges récurrentes correspondant au coût de la phase « chantier » à renouveler au cours du traitement (matériel, main d’œuvre, réactifs ou produits) et pour l'élimination des déchets,
• Charges liées aux études (hors études de risques sanitaires préalables au chantier) et suivi de la dépollution correspondant aux coûts des analyses et prestations intellectuelles (rédaction de rapports, réunions sur site).

L’investissement représente la majeure partie des coûts. Il consiste en la mise en place de l’ouvrage.

La maintenance et le suivi sont des opérations importantes pour assurer la pérennité de l’ouvrage et vérifier que la pollution reste confinée. Ces postes sont globalement plus réduits que les charges exceptionnelles.

Le Piège hydraulique est actuellement commercialisé et très utilisé en France. Cette technique est efficace et assez bien maîtrisée par l’ensemble des acteurs du marché.

Le rendement de ce procédé peut atteindre 95 % dépendamment du contexte hydrogéologique (perméabilité, hétérogénéité..), des polluants (solubles ou hydrophobes) et de l’enlèvement de la source de pollution.

La barrière est rapide à mettre en œuvre. Elle permet une valorisation sur les parties confinées du site. Néanmoins, la durée réelle du suivi non évaluée dans ce critère, est longue. Le traitement durera aussi longtemps que la source de pollution ne sera pas tarie.

En 2012, aucun acteur ayant répondu à l'enquête n'a indiqué avoir réalisé un confinement hydraulique in situ.

(ADEME, 2015)

1. Bibliographie

ADEME (2009)
Traitabilité des sols pollués - Guide méthodologique pour la sélection des techniques et l'évaluation de leurs performances. Guide méthodologique. Version 0 - 15 octobre 2009, 123 p.
https://librairie.ademe.fr/sols-pollues/5686-traitabilite-des-sols-pollues.html

ADEME (2015)
Taux d'utilisation et coûts des différentes techniques et filières de traitement des sols et des eaux souterraines pollués en France (Les)
Étude Ernst & Young
Synthèse des données 2012, 148 p.
https://librairie.ademe.fr/sols-pollues/1738-taux-d-utilisation-et-couts-des-differentes-techniques-et-filieres-de-traitement-des-sols-et-des-eaux-souterraines-pollues-en-france-les.html

BRGM (Juin 2010)
Quelles techniques pour quels traitements - Analyse coûts-bénéfices
S. Colombano, A. Saada, V. Guerin, P. Bataillard, G. Bellenfant, S. Beranger, D. Hube, C. Blanc, C. Zornig et I. Girardeau
Rapport final BRGM/RP-58609-FR
http://ssp-infoterre.brgm.fr/quelles-techniques-quels-traitements
http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-58609-FR.pdf