Contribution des matériaux de couverture à la contamination métallique des eaux de ruissellement, Contribution of roofing materials to the metal contamination of runoff

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Sous la direction de Ghassan Chebbo, Marie-Christine Gromaire
Thèse soutenue le 28 avril 2009: Paris Est
Ce travail de thèse a visé le développement d’un outil d’évaluation des flux métalliques annuels émis par les matériaux de couvertures à l’échelle d’un bassin versant, dans le contexte architectural et météorologique de l’Île-de-France. La méthodologie mise en place pour tendre vers ce but repose sur (1) l’évaluation des émissions annuelles de métaux par différents matériaux métalliques de couverture classiquement utilisés dans la région grâce à une approche expérimentale sur bancs d’essais, (2) l’établissement d’un cadre méthodologique pour la modélisation des flux métalliques émis à l’échelle annuelle par les toitures d’un bassin versant qui se base d’une part sur la modélisation des émissions métalliques par les matériaux à différentes échelles spatiales et temporelles (en fonction de la pluviométrie, de la géométrie du toit…) à partir des données obtenues sur les bancs d’essais, et d’autre part sur la quantification des surfaces métalliques des toitures d’un bassin versant. La première partie du travail a donc consisté à développer et à exploiter, sur deux sites différents, des bancs d’essais expérimentaux d’1/2 m², testant 12 matériaux métalliques issus de 5 familles (zinc, cuivre, plomb acier, aluminium), sous différentes mises en oeuvre (panneaux, gouttières, crochets de fixation). 13 espèces métalliques ont été quantifiées dans les eaux de ruissellement collectées ce qui a permis (1) d’acquérir une importante base de données de taux de ruissellement annuels par les différents matériaux, mettant en évidence que les taux de ruissellement annuels obtenus peuvent être assez importants, de l’ordre de plusieurs grammes par m² et par an pour les éléments constitutifs des matériaux, (2) de hiérarchiser ces matériaux en fonction de leur potentiel polluant, à travers la définition d’un indice de contamination métallique se basant sur les émissions de Cd, Cu, Ni, Pb et Zn et permettant de tenir compte des différences de toxicité des métaux. Une modélisation des émissions métalliques par les matériaux à différentes échelles de temps a été réalisée, conduisant à la conclusion que la hauteur de pluie, ainsi que la durée d’exposition sont des paramètres fondamentaux. Il est apparu que la hauteur de pluie seule est suffisante pour modéliser les émissions métalliques par les matériaux à des échelles de temps longues mais ne suffit pas à modéliser ces émissions sur quelques semaines. Un modèle plus complexe, basé sur une hypothèse d’accumulation / dissolution de produits de corrosion à la surface des matériaux donne des résultats satisfaisant à ces échelles de temps plus courtes. L’extrapolation spatiale des résultats de ruissellement obtenus sur les bancs d’essais s’est basé sur d’autres expérimentations, d’abord sur bancs d’essais conduisant à la conclusion que la longueur d’écoulement n’a pas d’influence sur la masse de métal entraînée dans le ruissellement, qui peut être calculée à partir de la hauteur de pluie, de la surface projetée et de l’inclinaison du panneau (qui s’avère négligeable quand elle est inférieure à 50°); puis à l’échelle de toits réels pour une étape de validation. Dans la seconde partie de ce travail, la quantification des surfaces de rampants à l’échelle d’un bassin versant a été effectuée grâce à un outil de classification d’image basé sur l’analyse de la radiométrie des matériaux à partir d’une photo aérienne. Les résultats obtenus sont encourageants, avec environ 75 à 80% des toits qui bien classés à l’issue de la classification. Les principales erreurs reposent sur des confusions de l’outil entre des matériaux de radiométries voisines (ardoise / zinc par exemple, qui peuvent être proches en fonction du degré d’ensoleillement). Un travail exploratoire a été mené pour la prise en compte des éléments singuliers – généralement en métal – des toitures, à partir de l’utilisation des documents techniques unifiés. L’évaluation des surfaces métalliques concernées s’est avérée délicate à mettre en oeuvre de façon automatique du fait de la petite dimension de ces éléments, non visibles sur une photo aérienne
-Toitures métalliques
-Eaux de ruissellement
-Zinc
-Plomb
-Cuivre
-Aluminium
-Aciers
-Taux de ruissellement
-Modélisation
-Classification d'image
This thesis aimed to develop a tool for the evaluation of annual metallic flows emitted from roofing materials at the scale of a watershed in the architectural and meteorological context of Paris conurbation. The methodology used in this work is based on (1) the assessment of annual metallic emissions from different metallic materials typically used for roofing in the region considered through an experimental test bed, (2) the establishment of a methodological framework for modelling the metallic flow emitted from the roofs of catchment area, which is based both on the modelling of metal emissions from the materials at different spatial and temporal scales (depending on rainfall, geometry of the roof ...) from data obtained on the test bed, and on the quantification of metallic surface areas of roofs in the catchment area. The first part of the work has been based on the exploitation of experimental test beds of 1 / 2 m², testing 12 metallic materials from 5 families (zinc, copper, lead, steel, aluminium) in various implemented (panels, gutters, fixing brackets, exposed on two different sites. 13 metallic species were quantified in the collected runoff which allowed (1) to acquire a large database of annual runoff rates by different materials, highlighting that the annual runoff rates obtained can be fairly important, with an order of magnitude of several grams per square meter per year for the constitutive elements of materials, (2)to classify these materials according to their polluting potential, through the definition of an index of metal contamination taking into consideration the emissions of Cd, Cu, Ni, Pb and Zn and the differences in toxicity of metals. A modelling of metal emissions from the materials at different time scales has been conducted, leading to the conclusion that the rainfall quantity and the duration of exposure are fundamental parameters. It appeared that the rainfall value is sufficient to model metallic emission from materials for long time scales but not enough to model these emissions on a few weeks period. A more complex model, based on an assumption of accumulation / dissolution of corrosion products on the surface of the material gives satisfactory results for these time-scales periods. The spatial extrapolation of results obtained on the test bed scale was based on other experiments, first on test beds, leading to the conclusion that the length of flow has no influence on the mass of metal entrained in the runoff, which can be calculated from the rainfall quantity, the projected area and inclination of the panel (which is negligible when it is below 50 °), and then at the real roof scale for a validation step. In the second part of this work, quantification of surface areas of roofs at the scale of the catchment was conducted using a classification tool image analysis based on the radiometry of materials. The results are encouraging, with about 75 to 80% of roofs ranked on the basis of classification. The main errors are due to confusions between materials presenting nearby radiometry (slate / zinc, for example, which can be close depending on the amount of sunshine). Exploratory work was conducted for the consideration of singular elements - usually realized in metal -, from the use of unified technical documents. The evaluation of metal surfaces concerned has proved difficult to implement in an automatic way because of the small size of these elements, not visible on an aerial photo
-Metal roofing
-Runoff
-Zinc
-Lead
-Copper
-Aluminium
-Steel
-Runoff rate
-Modelling
-Image classification
Source: http://www.theses.fr/2009PEST1051/document
Publié le : jeudi 27 octobre 2011
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ECOLE DOCTORALE « VILLE ET ENVIRONNEMENT »



Thèse de Doctorat de l’Université Paris-Est
Spécialité : Sciences et Techniques de l’Environnement





Pauline ROBERT-SAINTE


Contribution des matériaux de couverture à la
contamination métallique des eaux de ruissellement





Soutenue le 28 avril 2009 devant le jury composé de :

Ghassan CHEBBO Directeur de thèse
Marie-Christine GROMAIRE Co-directeur de thèse
Bernard DE GOUVELLO Encadrant CSTB
Bernard CHOCAT Rapporteur
Michel LEGRET Rapporteur
Samuel JOUEN Examinateur
Annick TEXIER Membre invité
Nicolas PAPARODITIS Membre invité

Thèse préparée au Centre d’Enseignement et de Recherche Eau Ville Environnement
Ecole Nationale des Ponts et Chaussées. UMR-MA 102 AgroParisTech
En co-financement avec le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment
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tel-00539932, version 1 - 25 Nov 2010Remerciements

Remerciements
Contre toute attente, cette page de remerciements s’avère difficile à écrire – pas autant que le texte qui suit
heureusement –, tant j’ai peur d’oublier des personnes… Cette thèse a duré environ 3 ans et demi et a été très
riche en rencontres, chacune apportant sa pierre à l’édifice et me permettant d’avancer au quotidien dans ce
travail.
Pour commencer, je remercie les organismes financeurs de ce travail : l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées,
le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment et l’Agence de l’Eau Seine Normandie, sans qui cette thèse
n’aurait pu être menée à bien.
Un grand merci à mes 3 encadrants, pour leur aide tout au long de ces 3 années et demi. Cet encadrement à 3
têtes a été très productif et m’a permis d’avancer sans trop d’encombres, et de mener ce travail à bien dans des
conditions optimales.
Monsieur Ghassan Chebbo, mon directeur, pour son implication et pour l’énergie qu’il investit au quotidien
dans le pilotage du programme OPUR, dans lequel s’est inscrite ma thèse. Je suis très fière d’avoir ouvert la
phase 3 de ce grand programme. Un grand merci pour ses qualités scientifiques mais aussi pour sa gentillesse,
son soutien et sa confiance.
Madame Marie-Christine Gromaire, qui m’a suivie de près au quotidien. Merci pour son aide scientifique
précieuse, ses idées toujours intéressantes, et son enthousiasme intact, même dans les moments de doute… Un
grand merci également pour ses grandes qualités personnelles : sa gentillesse, ses capacités d’écoute, son amitié
et sa présence à mes côtés à chaque instant, dans tout ce que j’ai pu traverser au cours de cette thèse, dans les
bons moments comme dans les périodes plus difficiles.
Monsieur Bernard de Gouvello, qui a porté vaillamment la casquette du CSTB dans ce trio d’encadrement…
Merci pour ses idées, critiques, et encouragements, ainsi que pour nos discussions toujours constructives… au
bureau, dans le RER ou autour d’un café.
Je remercie ensuite les directeurs successifs du CEREVE, Messieurs Jean-Marie Mouchel et Bruno Tassin pour
m’avoir accueillie au sein de ce laboratoire et pour m’avoir permis d’y travailler dans les meilleures conditions
possibles. Le CEREVE, avec son ambiance chaleureuse et amicale, restera pour moi le siège d’excellents
moments passés à travailler, mais aussi à échanger des idées entres collègues à 17h… Je souhaite que le LEESU
lui succède brillamment, en conservant précieusement ces mêmes valeurs.
Je remercie chaleureusement Messieurs Bernard Chocat et Michel Legret pour avoir accepté de rapporter ce
travail (en un temps record !), pour l’intérêt qu’ils lui ont porté, leurs commentaires constructifs et leurs
compliments au cours de la soutenance. J’espère avoir l’occasion de retravailler avec eux au cours de ma
carrière, qui finira peut-être par s’orienter vers la recherche...
Mes remerciements également aux autres membres du jury.
Madame Annick Texier du Laboratoire de Recherche des Monuments Historiques, pour son implication
importante dans ce travail : toute la partie concernant l’observation microscopique des matériaux n’aurait pu
être réalisée sans elle ! Un grand merci pour avoir participé aux différents comités de thèse, pour avoir apporté
ses idées et son professionnalisme pour faire avancer cette thèse !
Monsieur Samuel Jouen, pour son intérêt, ses questions pertinentes et les différentes conversations que nous
avons pu avoir autour de ce travail de thèse, de part et d’autre de l’Atlantique.
Monsieur Nicolas Paparoditis pour sa présence et ses différentes remarques lors de la soutenance.
J’adresse également mes sincères remerciements à Messieurs Didier Boldo et Arnaud Le Bris du laboratoire
MATIS de l’Institut Géographique National, pour leur aide considérable sur la partie classification d’image de
ce travail. Les résultats obtenus n’auraient pu être atteints sans leur implication, leur disponibilité et la patience
qu’ils ont déployé à former la chimiste que je suis à ces outils très spécifiques.
Ce travail a présenté un volet expérimental important. Je suis donc très reconnaissante à la cellule technique du

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CEREVE pour son aide tout au long de cette thèse.
Un grand merci à Monsieur Mohamed Saad, pour son aide sur le terrain… je n’ai pas charrié seule les 12000
litres d’eaux de ruissellement collectés ! Il a largement contribué au bon déroulement des échantillonnages.
Merci également pour son aide précieuse au labo et son soutien dans les phases pénibles de vaisselles et de
contaminations parfois inexpliquées de l’ICP-AES.
Mille mercis aussi à Mademoiselle Catherine Lorgeoux, même si nous n’avons que très peu été amenées à
travailler ensemble… Merci pour son amitié et son soutien au quotidien lors de la phase de rédaction. Elle
restera pour moi la déesse de la LC/MS MS !
Enfin, merci à Monsieur Florent Leroy, arrivé un peu trop tard pour participer complètement aux phases
d’échantillonnages… son aide sur le terrain a néanmoins été très appréciable (et appréciée !), lors des dernières
expérimentations menées dans le cadre de ce travail de thèse. Toujours prêt à relever les défis… il est à la fois
celui qui parle aux préleveurs, qui soude (avec talent !) les descentes de gouttières en zinc, et tout ça dans la
bonne humeur ! Merci pour tout ça, son amitié et son soutien, tout particulièrement lors de la rédaction.
Tous mes remerciements également à l’équipe de l’atelier du CSTB, Madame Catherine Fasquel et Messieurs
Franck Sénécal, Pascal Scipion, Daniel Lambert et Philippe Grivel pour leur travail lors de la réalisation des
maquettes expérimentales nécessaires à ce travail de thèse.
Un grand merci à Mesdames Catherine Charleux, Annick Piazza et Patricia Caenbergs pour leur soutien et leur
aide logistique et administrative.
Je ne saurais oublier mes condisciples doctorants : en commençant par mes compagnons de promo, Sarah Jung
et Benoît Pernet-Coudrier… nous nous sommes serrés les coudes et nous avons mené nos thèses à bien !! Un
grand merci à vous deux pour tout, et tout particulièrement pour votre amitié et votre présence à chaque
moment difficile. Bon vent à vous deux, mais je sais que l’histoire n’est pas terminée !
D’autres doctorants m’ont brillamment ouvert la voie, parmi lesquels Johnny Gaspéri, Laetitia Moulin, Céline
Bonhomme… merci à eux pour leur présence et leur amitié, intacte même après leur changement de statut
(pour le premier !) ou leur départ du CEREVE (pour les deux dernières !).
Et d’autres suivent…
Adèle Bressy – mieux connue sous le nom de bisounourse rose à pattes blanches – qui a toujours été d’un
soutien précieux, qu’elle soit assurée de ma présence et de mon soutien jusqu’à la fin de sa thèse ! Je vais essayer
(mais ce n’est pas gagné…) de soigner ma « bisounours attitude ».
Mais aussi Céline Lacour, Anne Belbéoc’h, Sally Zgheib (qui a partagé mon bureau durant plusieurs mois),
Emilie Rioust, Guido Petrucci, Antoine Van de Voorde, Claire Boussard… et tous les autres, parmi lesquels
Théodore Koffi Yao, qui a fait le plus gros du travail et rejoindra très rapidement le club des Docteurs!!
Ces 3 années et demi au CEREVE ont également été riches en rencontres de tous types, scientifiques, amicales,
et bien souvent les deux à la fois… Les cereviens et cereviennes sont tous extrêmement sympathiques et il me
semble difficile de les remercier individuellement… Bruno Tassin, Daniel Thévenot, Régis Moilleron, Gilles
Varrault, Brigitte Vinçon-Leite, José-Fréderic Deroubaix, Bruno Lemaire, Françoise Lucas, Martin Seidl, Jean-
Claude Deutsch… ; un grand merci à vous tous ! Et aux autres que je n’ai pas cités…
Enfin, je pense à ma famille et tout particulièrement à mes parents – sans qui je n’aurais pu mener ces longues
études – pour leur présence permanente à mes côtés et pour leur certitude jamais entamée que j’allais mener ce
projet à bien ; ma sœur – toujours présente elle aussi – pour ses encouragements constants ; et mes beaux-
parents, qui m’ont quelquefois « prêté » leur véranda pour que je travaille au soleil (quand celui-ci voulait bien
se montrer !).
Et bien sûr, un immense merci à Damien, pour son soutien inconditionnel, sa présence quotidienne, sa
participation active à la relecture du manuscrit, ses petits plats savoureux et son amour tout simplement…
A vous tous, un grand merci !

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Résumé


Résumé
Ce travail de thèse a visé le développement d’un outil d’évaluation des flux métalliques annuels émis par les
matériaux de couvertures à l’échelle d’un bassin versant, dans le contexte architectural et météorologique
de l’Île-de-France. La méthodologie mise en place pour tendre vers ce but repose sur (1) l’évaluation des
émissions annuelles de métaux par différents matériaux métalliques de couverture classiquement utilisés
dans la région grâce à une approche expérimentale sur bancs d’essais, (2) l’établissement d’un cadre
méthodologique pour la modélisation des flux métalliques émis à l’échelle annuelle par les toitures d’un
bassin versant qui se base d’une part sur la modélisation des émissions métalliques par les matériaux à
différentes échelles spatiales et temporelles (en fonction de la pluviométrie, de la géométrie du toit…) à
partir des données obtenues sur les bancs d’essais, et d’autre part sur la quantification des surfaces
métalliques des toitures d’un bassin versant.
La première partie du travail a donc consisté à développer et à exploiter, sur deux sites différents, des
bancs d’essais expérimentaux d’1/2 m, testant 12 m atériaux métalliques issus de 5 familles (zinc, cuivre,
plomb acier, aluminium), sous différentes mises en œuvre (panneaux, gouttières, crochets de fixation). 13
espèces métalliques ont été quantifiées dans les eaux de ruissellement collectées ce qui a permis (1)
d’acquérir une importante base de données de taux de ruissellement annuels par les différents matériaux,
mettant en évidence que les taux de ruissellement annuels obtenus peuvent être assez importants, de
l’ordre de plusieurs grammes par m et par an pour les éléments constitutifs des matériaux, (2) de
hiérarchiser ces matériaux en fonction de leur potentiel polluant, à travers la définition d’un indice de
contamination métallique se basant sur les émissions de Cd, Cu, Ni, Pb et Zn et permettant de tenir compte
des différences de toxicité des métaux.
Une modélisation des émissions métalliques par les matériaux à différentes échelles de temps a été
réalisée, conduisant à la conclusion que la hauteur de pluie, ainsi que la durée d’exposition sont des
paramètres fondamentaux. Il est apparu que la hauteur de pluie seule est suffisante pour modéliser les
émissions métalliques par les matériaux à des échelles de temps longues mais ne suffit pas à modéliser
ces émissions sur quelques semaines. Un modèle plus complexe, basé sur une hypothèse d’accumulation /
dissolution de produits de corrosion à la surface des matériaux donne des résultats satisfaisant à ces
échelles de temps plus courtes.
L’extrapolation spatiale des résultats de ruissellement obtenus sur les bancs d’essais s’est basé sur
d’autres expérimentations, d’abord sur bancs d’essais conduisant à la conclusion que la longueur
d’écoulement n’a pas d’influence sur la masse de métal entraînée dans le ruissellement, qui peut être
calculée à partir de la hauteur de pluie, de la surface projetée et de l’inclinaison du panneau (qui s’avère
négligeable quand elle est inférieure à 50°); puis à l’échelle de toits réels pour une étape de validation.
Dans la seconde partie de ce travail, la quantification des surfaces de rampants à l’échelle d’un bassin
versant a été effectuée grâce à un outil de classification d’image basé sur l’analyse de la radiométrie des
matériaux à partir d’une photo aérienne. Les résultats obtenus sont encourageants, avec environ 75 à 80%
des toits qui bien classés à l’issue de la classification. Les principales erreurs reposent sur des confusions
de l’outil entre des matériaux de radiométries voisines (ardoise / zinc par exemple, qui peuvent être proches
en fonction du degré d’ensoleillement). Un travail exploratoire a été mené pour la prise en compte des
éléments singuliers – généralement en métal – des toitures, à partir de l’utilisation des documents
techniques unifiés. L’évaluation des surfaces métalliques concernées s’est avérée délicate à mettre en
œuvre de façon automatique du fait de la petite dimension de ces éléments, non visibles sur une photo
aérienne.
Mots clés : toitures métalliques, eaux de ruissellement, zinc, plomb, cuivre, aluminium, aciers, taux de
ruissellement, modélisation, classification d’image.
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Abstract


Abstract
This thesis aimed to develop a tool for the evaluation of annual metallic flows emitted from roofing materials
at the scale of a watershed in the architectural and meteorological context of Paris conurbation. The
methodology used in this work is based on (1) the assessment of annual metallic emissions from different
metallic materials typically used for roofing in the region considered through an experimental test bed, (2)
the establishment of a methodological framework for modelling the metallic flow emitted from the roofs of
catchment area, which is based both on the modelling of metal emissions from the materials at different
spatial and temporal scales (depending on rainfall, geometry of the roof ...) from data obtained on the test
bed, and on the quantification of metallic surface areas of roofs in the catchment area.
The first part of the work has been based on the exploitation of experimental test beds of 1 / 2 m, t esting 12
metallic materials from 5 families (zinc, copper, lead, steel, aluminium) in various implemented (panels,
gutters, fixing brackets, exposed on two different sites. 13 metallic species were quantified in the collected
runoff which allowed (1) to acquire a large database of annual runoff rates by different materials, highlighting
that the annual runoff rates obtained can be fairly important, with an order of magnitude of several grams
per square meter per year for the constitutive elements of materials, (2)to classify these materials according
to their polluting potential, through the definition of an index of metal contamination taking into consideration
the emissions of Cd, Cu, Ni, Pb and Zn and the differences in toxicity of metals.
A modelling of metal emissions from the materials at different time scales has been conducted, leading to
the conclusion that the rainfall quantity and the duration of exposure are fundamental parameters. It
appeared that the rainfall value is sufficient to model metallic emission from materials for long time scales
but not enough to model these emissions on a few weeks period. A more complex model, based on an
assumption of accumulation / dissolution of corrosion products on the surface of the material gives
satisfactory results for these time-scales periods.
The spatial extrapolation of results obtained on the test bed scale was based on other experiments, first on
test beds, leading to the conclusion that the length of flow has no influence on the mass of metal entrained
in the runoff, which can be calculated from the rainfall quantity, the projected area and inclination of the
panel (which is negligible when it is below 50 °), and then at the real roof scale for a validation step.
In the second part of this work, quantification of surface areas of roofs at the scale of the catchment was
conducted using a classification tool image analysis based on the radiometry of materials. The results are
encouraging, with about 75 to 80% of roofs ranked on the basis of classification. The main errors are due to
confusions between materials presenting nearby radiometry (slate / zinc, for example, which can be close
depending on the amount of sunshine). Exploratory work was conducted for the consideration of singular
elements - usually realized in metal -, from the use of unified technical documents. The evaluation of metal
surfaces concerned has proved difficult to implement in an automatic way because of the small size of these
elements, not visible on an aerial photo.
Keywords: metal roofing, runoff, zinc, lead, copper, aluminium, steel, runoff rate, modelling, image
classification.
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