Evaluation environnementale des sols urbains et matériaux recyclés
Enjeux
Souvent considérés comme matériau inerte lorsqu’ils sont le support de bâtiments ou pouvant prendre le statut de « déchet » en cas de pollution, les sols urbains sont des écosystèmes à part entière qui assurent de nombreuses fonctions: support de plantation dans les espaces verts, fonction alimentaire pour soutenir le développement de l’agriculture et du jardinage urbains, stockage des eaux pluviales et de carbone, filtre de la pollution lors de la mise en œuvre de solutions de gestion alternatives des eaux de pluie, support du bâti, des infrastructures de loisirs, de la mobilité (automobile et plus douce)…
Lorsque le sol ne possède pas les propriétés requises pour assurer ces fonctions, la solution classique est d’utiliser des granulats naturels et des terres agricoles rapportées mais cette façon de faire n’est plus durable et des propositions de construction de sols à partir de matériaux recyclés voient le jour. Cependant, les nouveaux usages des sols en place et les sols construits soulèvent des questions inédites : les sols ont-ils la qualité requise pour assurer une production alimentaire suffisante et saine ? Quels matériaux de substitution à la terre végétale pour aménager des espaces verts ? Les techniques d’infiltration des eaux urbaines ou l’utilisation d’eaux usées traitées pour l’arrosage ou le lavage des espaces publics ne vont-elles pas conduire à une dégradation de la qualité des sols et des eaux souterraines ?...
Les réponses à ces questions nécessitent d’évaluer la qualité des sols et des matériaux en lien avec leurs propriétés physiques et chimiques et leurs fonctions actuelles et attendues mais aussi d’étudier comment préserver l’état des sols afin d’assurer la durabilité des services qu’ils nous rendent.
Objectifs scientifiques
Les objectifs scientifiques de ce thème de recherche portent sur les points suivants:
Diagnostic de la qualité des sols et matériaux recyclés
►Caractérisation de l’hétérogénéité chimique in-situ et au laboratoire : semi-quantification des éléments chimiques par spectroscopie de fluorescence X portable, analyses des majeurs, traces et ultratraces (ICP-OES, ICP-MS), granulochimie, cartographie des contaminations
Focus actuels :
- platinoïdes (platine, palladium, rhodium) à l’émission et dans le système eau-sol-plante
- détection et analyse directe et rapide du mercure dans l’environnement urbain
►Caractérisation physique et hydrodynamique : mesure in-situ et au laboratoire de la capacité d’infiltration, détermination des paramètres hydrodynamiques par modélisation
Réactivité des phases solides et interactions avec les polluants
►Caractérisation des phases solides constitutives des sols et matériaux et des phases porteuses de polluants par observation microscopique et micro-analyses (microfluorescence X, MEB-sonde EDX, DRX, MET) (accord de collaboration avec l’IMN Nantes)
►Evaluation de la mobilité des polluants : extractions sélectives et séquentielles, expériences de lixiviation en batch et en colonne, microanalyse des polluants sous forme particulaire (colloïdes)
Focus : Plateforme d’observation et de microanalyses des sols et matériaux
Transferts d’eau et de polluants
►Modalités de circulation de l’eau dans les milieux poreux hétérogènes : traçages non réactifs sur modèles physiques (colonne de laboratoire macroporée, pilote, ouvrage), suivi des flux d’eau en colonne par résonance magnétique nucléaire (IRM) (collaboration Navier Marne la Vallée)
►Processus de transfert de la pollution urbaine dans les sols : expérimentation en conditions dynamiques (colonne de laboratoire (milieu modèle et sol réel), suivi des transferts au sein d’ouvrages d’infiltration), mobilisation des polluants sous forme particulaire (colloïdes) (ultrafiltration, granulométrie)
►Modélisation numérique (discrète, continue) du transfert d’eau et du transfert réactif (solutés) à l’aide de codes existants (Hydrus, Phreeqc) ou développé en interne (échelle de travail de la taille des pores)
Bassin d'infiltration de Cheviré - Site d'observation du transfert de polluants dans le sol
Contenus et partenariats
Les domaines d’application des travaux de recherche sont actuellement:
- le suivi sur le long terme de la qualité des sols et eaux souterraines urbaines dans le cadre de l’ONEVU (Observatoire Nantais des EnVironnements Urbains) (retombées atmosphériques, décharge de la Prairie de Mauves)
- la gestion des eaux de ruissellement urbaines, en particulier la caractérisation des pollutions émergentes (platinoïdes) et la performance des ouvrages d’infiltration (bassins et noues)
- la construction de sols à partir de matériaux recyclés et de déchets pour les aménagements urbains (espaces verts, infrastructures de transport…),
- la gestion différenciée des sols de jardins associatifs (en cas de pollution).
Au sein de l’IFSTTAR, les chercheurs de l’axe interviennent sur des projets en géotechnique (GMG/GERS), en structure de chaussée (MIT/MAST), sur les impacts environnementaux des infrastructures (EASE et LTE/AME). Ils bénéficient de l’appui technique et scientifique des chercheurs en IRM de l’Institut Navier (ENPC-Ifsttar, Marne la Vallée) et dans le réseau national de recherche en hydrologie urbaine, ses partenaires sont le LEESU (ENPC), le LEHNA (CNRS-ENTPE, Lyon) et le CEREMA.
Le LEE est membre fondateur d’un consortium en Pays de la Loire sur la pollution des sols qui a pour ambition de faire émerger un pôle scientifique et technique dans le Grand Ouest sur la gestion de la pollution diffuse des sols (Université de Nantes (LPGN), BRGM, EMN (GEPEA, SUBATECH, LEMNA), Agrocampus Ouest (EPHor, Angers), IFREMER, CSTB). Il assure la co-animation d’un axe de recherche sur les sols urbains, dans l’IRSTV et s’implique fortement sur le volet « Environnement urbain » de l’OSU Nantes, notamment en prenant part au pilotage du projet de recherche régional – dynamiques scientifiques « Pollusols ». L’équipe de recherche commune en préparation entre le LEE et EPHor Agrocampus Ouest renforce le positionnement des deux laboratoires dans la construction du pôle « Sols pollués » en Pays de Loire. L’ERC s’appuiera aussi sur l’Institut des Matériaux de Nantes, qui accueille un chercheur de l’axe.
Les chercheurs de la thématique sont impliqués dans des instances nationales (AllEnvi : groupe Agroécologie & Sol) et des actions européennes (COST 1201 sur les jardins urbains, COST 1206 sur le sous-sol urbain). Ils assurent une mission d’expertise auprès du Ministère de l’Ecologie (groupe PNUR (Pneus Usagés Non Réutilisables), expertise sur l’artificialisation des sols) et de la Ville de Nantes.