UTILISATION DES EAUX SOUTERRAINES POUR LA CLIMATISATION D'UN IMMEUBLE AVENUE DE L'OPÉRA PARIS 1er

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1 SOCIÉTÉ SCA 4, rue Paul-Cézanne PARIS UTILISATION DES EAUX SOUTERRAINES POUR LA CLIMATISATION D'UN IMMEUBLE AVENUE DE L'OPÉRA PARIS 1er par P. ANDRE, Ph. DIFFRE, A. GRINGARTEN et P.-A. LANDEL BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL B.P Orléans Cedex - Tél.: (38) Département hydrogéologie B.P Orléans Cedex Tél.: (38) Service géologique régional BASSIN DE PARIS 65, rue du général-leclerc, Brie-Comte-Robert Tél.; (1) w 77 SGN 354 BDP Brie-Comte-Robert, juillet 1977 Í < I

2 UTILISATION DES EAUX SOUTERRAINES POUR LA CLIMATISATION D'UN IMMEUBLE AVENUE DE L'OPERA PARIS 1er RESUME La société S.C.A. a demandé au B.R.G.M. d'étudier le projet d'un doublet de forages d'une cinquantaine de mètres de profondeur pour climatiser un nouveau magasin MONOPRIX - avenue de l'opéra - en utilisant les eaux de la nappe de 1'Eocène inférieur. L'étude hydrothermique réalisée par simulation sur modèle, à l'aide du programme EDITH, indique un risque important cie recyclage thermique dans le cas d'une réinjection à 50 m de distance du forage de production. Compte-tenu également des désordres qu'une réinjection risque de provoquer sur les sous-sol de l'immeuble et les parkings souterrains voisins, il est conseillé de ne réaliser qu'un seul forage pour la production et de rejeter l'eau réchauffée à l'êgout. -o-o-o-

3 SOMMAIRE RESUME p age ]' - INTRODUCTION Í 2 - CARACTERISTIQUES HYDRODYNAMIQUES DES NAPPES SOUS-JACENTES QUALITE PHYSICO-CHIMIQUE Température Minéralisation 4 - PRELEVEMENTS ACTUELS DANS LE QUARTIER POSSIBILITES DE POMPAGE ET DE REINJECTION SIMULATIONS D'UN DOUBLET DE FORAGES CONCLUSIONS : 14 FIGURES DANS LE TEXTE Fig 1 - Situation 2 Fig 2 - Profil hydrogéologique schématique 4 Fig 3 - Exploitation simulée 10

4 1 - INTRODUCTION La Société SCA, envisageant de climatiser son nouveau magasin MONOPRIX, avenue de l'opéra, à partir des eaux souterraines, a demandé au BRGM d'étudier le projet d'un doublet de forages qui permettrait de pomper 80 in3/h à 15 C en réinjectant ce débit à 24 C dans la nappe. La distance maximale possible entre les deux forages, dans la limite de.a. propriété entre l'avenue de l'opéra et la rue d'argenteuil, est de 55 m. Le but de l'étude est de déterminer les chances d'obtention du débit souhaité, et d'évaluer les risques de recyclage thermique. Un profil hydrogéologique prévisionnel a été établi à partir des coupes de sondages archivés. Une enquête sur place, avec mesures de niveaux et de températures, a fourni des données complémentaires sur l'état actuel de la nappe et son exploitation. L'étude hy'drothermique a été réalisée par simulation sur modèle à l'aide du programme EDITH, (Entière par Discrétisation des Influences Thermiques).

5 s 5 *^ ^ ^ W ^ ^ P^J^^M i» Fig. 1 SITUATION DE L'IMMEUBLE Echelle 1/

6 CARACTERISTIQUES HYDRODYNAMIQUES DES NAPPES SOUS-JACENTES Un profil, établi à partir des sondages archivés (fig 2), indique sous le site considéré, la sucession de terrains suivante : de 0 à 6 m : remblai de 6 à 10 m : alluvions QUATERNAIRE de 10 à 14 m : sables de Beauchamp AUVERSIEN de 14 à 23 m : Marnes et Caillasses LUTETIEN de 23 à 37 m : Calcaire grossier " Les sondages les plus proches ne descendent pas endessous du Calcaire grossier. En se basant sur des sondages plus éloignés, on peut cependant prévoir : de 37 à 47 m environ : Sables du Soissonnais YPRESIEN de 47 à 75 m environ : Argile sableuse et argile " à partir de 75 m : craie Dans le forage existant au sous-sol actuel, le niveau statique de l'eau a été mesuré à la cote + 18 le 17 mai Dans un forage situé 200 m au nord, le niveau statique s'établissait à + 17 en janvier La nappe phréatique, alimentée par la Seine à 700 m au sud (cote + 26,40) s'écoule vers le Nord en direction d'un cône de rabattement provoqué par les pompages (nappe vers + 15 dans les calcaires lutétiens sous la rue Caumartin en mai 1977). En-dessous de la cote + 18, les terrains saturés d'eau susceptibles de fournir ou d'absorber un débit appréciable sont :

7 s NCE Ul m N UJ < O K o MONOPRIX ksanova o oc t d* la JE DE FRA a. ui va Ul «JARDIN DES TUILERIES obles d» Beauchamp MARNES ET CAILLASSES CALCAIRE GROSSIER Sablts Sablts, lignites Arg lit pujftiqut Argil«RER - S.abU»_ 1 * > 1 Marntt tt calcaires Rg. 2.Profil hydrogéologique schématique

8 les marno-calcaires lutétiens entre 18 et 37 m, - les sables yprésiens, dits du Soissonnais, entre 37 et 47 m environ et les sables d'auteuil épais de quelques mètres qui existent peut-être en-dessous de 50 m. Dans ces deux aquifères, les niveaux piézoraétriques ont été, depuis plusieurs dizaines d'années, déprimés artificiellement par les pompages et l'urbanisme. Depuis quelques mois, ces niveaux ont remonté de quelques mètres, car les débits pompés ont tendance à diminuer. Les niveaux statiques n'ont cependant pas encore rejoint le niveau de la Seine et l'écoulement reste orienté vers le Nord. Entre les calcaires lutétiens et les sables yprésiens, il existe parfois un niveau argileux tenant le rôle d'écran imperméable, mais rien ne prouve que cette couche d'argile discontinue soit présente sous le site. Dans les calcaires lutêtieris, la perméabilité horizontale est de l'ordre de 5.10 m/s, la nerméabilité vertical«nrmvppt être _9 estimée à 5.10 m/s pour toute l'épaisseur sur une grande distance horizontale. La transmissivité serait donc de 10 épaisseur mouillée de 20 m. m2/s pour une Dans les sables yprésiens, la perméabilité horizontale -4 est de l'ordre de 5.10 m/s, la perméabilité verticale étant, là encore, généralement plus faible (elle peut être estimée à 10 pour une grande distance horizontale). La transmissivité serait donc _3 de 5.10 m2/s pour une épaisseur de 10 m. m/s Etant donné la faible distance entre les deux ouvrages et surtout à cause de l'ancien forage exploité pendant plusieurs années au milieu du site, il est plus prudent de considérer que les différentes couches de terrain sont a peu près isotopes avec des perméabilités de l'ordre des valeurs données pour les perméabilités horizontales.

9 QUALITE PHYSICO-CHIMIQUE Température Dans un forage situé rue de Méhul (6B.14), on a mesuré en décembre 76, 15 8C pour l'eau provenant des sables yprésiens et 16 pour celle provenant des calcaires lutétiens. En février 77, on a mesuré 16 8 pour l'eau du forage 2D.130, situé boulevard Haussman (eaux des calcaires et des sables) et 16 2 pour le forage 2D.74 (eaux des calcaires lutétienr). Ces températures nettement supérieures à la moyenne annuelle atmosphérique (13 1 au Parc Saint-Maur), peuvent s'expliquer par l'influence de la Seine qui a été particulièrement chaude pendant l'été 1976 et par l'influence des forages qui réinjectent déjà des eaux réchauffées à 21 C depuis plusieurs années. On peut considérer que la température de l'eau de la Seine varie habituellement selon le schéma suivant : (J : F M A : M J J A S 0 N : D ) (5': 7. 9 : 12 : : : 7 ) II semble que les cycles de température des eaux souterraines soient décalés de plusieurs mois par rapport aux cycles de température de la Seine. Le 17 mai 1977, on a mesuré 14 5C dans le forage hors service existant dans le sous-sol du MONOPRIX. Cette température a été mesurée in-situ à différentes profondeurs, le forage étant au repos, c'est-à-dire qu'elle a pu se mettre en équilibre avec la température du sous-sol depuis plusieurs mois.

10 "" 7 Nous retiendrons de tout ceci que dans les niveaux aquifères considérés, la température est actuellement de + 14 à + 15 C et que la Seine provoque vraisemblablement des oscillations saisonnières de 2 à 3 C autour de ces valeurs Minéralisation Les tableaux ci-dessous résument les caractéristiques chimiques d'eaux prélevées ces dernières années dans les Calcaires lutétiens ou les Sables yprésiens à distances comparables de la Seine dans PARIS. Indice BRGM Date TH O S0 4~~ mg/1 CO 4" mg/1 Cl" id Ca + id M g + id HO id P 4 id id Observations CO w H 6B.14 Dec <0,l CO O g ^ CO X W C3 Od ^* 1 1 w < CALC Piézo PC8F Juin Co, i 0,9 CO Z DES RESIE a, 2D.279 Juil ,1 <; co w w < CO Piézo PS1F Juin ,4 «... 0,5 Les eaux des Calcaires lutétiens sont généralement plus minéralisées, en particulier, dans la tranche supérieure (Marnes et Caillasses), que les eaux des Sables yprésiens. Le diagramme de GIRARD indique que les eaux des deux niveaux sont généralement un peu calcifiantes tout en étant corrosives vis à vis de l'acier. Cette corrosivité n'est cependant pas très élevée (index de RYZNAR voisin de 6).

11 PRELEVEMENTS ACTUELS DANS LE QUARTIER D'après les déclarations de pompage faites à l'agence Financière de Bassin Seine-Normandie et une enquête faite sur place, les forages utilisés actuellement au voisinage du site considéré sont les suivants : Indice BRGM 6C 14 7A 30 et 281 2D218 3C 20 7A 43 2D 2D Exploitant Banque de France Banque de France Lance 1 Aurore S IRLO Galeries Lafayette Printemps Adresse Rue de Méhul Rue de Valoii 8, place de l'opéra 100, rue Richelieu 37, rue du Louvre Boulevard Haussman Boulevard Haussman Distance du fonoprix 190 m 450 m 500 m 620 m 700 m 800 m 900 m Niveaux captés Calcaires et Sables Calcaires et Sables Calcaires Calcaires et Sables Calcaires et Sables Calcaires et Sables Débit innuel en 76, en m ( )

12 POSSIBILITES DE POMPAGE ET DE RE INJECTION II est vraisemblable que les calcaires lutétiens et sables yprésiens, captés simultanément par un forage crépine entre 17 et 65 m environ, fourniraient un débit de 100 m3/h mais il n'est pas prouvé que les sables yprésiens seuls fournissent 80 m3/h (il est à craindre que le débit ne dépasse pas 50 m3/h). Par contre, les calcaires, lutétiens ("Marnes et Caillasses" et "Calcaire grossier") devraient fournir à eux seuls plus de 50 m3/h. A priori, il paraît préférable de pomper dans les niveaux sableux profonds et de réinjecter dans les niveaux calcaires moins profonds pour les raisons suivantes : - pour le pompage, la possibilité de rabattement est beaucoup plus grande dans les niveaux sableux, - pour la réinjection, les niveaux calcaires devraient être moins sensibles au colmatage par les précipités ferriques que les niveaux sableux plus difficiles à régénérer périodiquement, - la température de l'eau des sables devrait être plus régulière que celle de l'eau des calcaires sus-jacents, influencée par la Seine, en particulier, en été. Pour s'assurer d'un débit égal à 80 m3/h, il serait nécessaire de pomper dans les sables yprésiens et dans la partie basse des calcaires, simultanément. Le forage de production devrait donc être crépine entre 32 et 47 m environ (il devra être poursuivi jusqu'à 65 m pour être éventuellement équipé d'une crépine supplémentaire dans les Sables qui seraient rencontrés entre 47 et 65 m avant l'argile plastique). (Fig. 3).

13 AVENUE DE L'OPERA MONOPRIX OPERA RUE D'ARGENTEÜll /mi 'S**»* Sol de La ru3* 6 ' ". E io.r.*.'...'.;. Foragt existant * -Ï '* T r T. REMBLAIS ALLUVIONS '.[' -.'SABLES DE BEAUCHAMP "'jj_^' V >* s>^ - 20 MARNES ^^"" ^-CAILLASSES - 15 PARKING PYRAMIDES - 10 CALCAIRE GROSSIER SABLES YPRESIENS O I --15 m 56T -"^ r ~ ~-~~ T~ ~-^ D- t ~^ ' ^ -*- LJ 63 ~" ~ "_ AR6ILE T T CRAIE Rg.3-Exploitation simulée

14 - II - En ce qui concerne la réinjection, on supposera, pour le calcul qui suit, que la capacité d'absorption des calcaires lutétiens est suffisante pour un débit de 80 m3/h, bien qu'en pratique, cela risque de poser certains problèmes. En effet, on considère généralement, à la suite d'observations empiriques, que la charge nécessaire à une réinjection est égale à 1,5 fois le rabattement dans un même puits pompant à un même débit. En supposant un rabattement de 10 m pour 80 m3/h, on peut penser qu'une charge de 15 m sera nécessaire pour la réinjection. Avec un niveau statique situé 8 m sous le plancher du 2e sous-sol, une pression de 0,7 bar au minimum sera nécessaire, en tête du forage d'injection.

15 SIMULATIONS D'UN DOUBLET DE FORAGES Des exploitations ont été simulées à l'aide du programme EDITH dans les conditions suivantes : - pompage entre 32 et 44 m dans les sables et les calcaires inférieurs, - injection entre 18 et 30 m dans les calcaires du Lutétien, - température initiale de la nappe : 15 C, - température de rejet : 21 C ou 24 C, - distance entre les 2 forages : 52 m Perméabilité homogène et isotope Une première série de passages a été effectuée en supposant que la perméabilité verticale n'était pas différente de la perméabilité horizontale (milieu homogène et isotope). En effet, comme il a été dit plus haut, l'ancien forage exploité pendant plusieurs années a sans doute considérablement augmenté localement la perméabilité verticale et le facteur d'anisotropie risque de ne plus être important Exp_l Í_ta_ti n_à_8 m3_/h_ On observe une augmentation de la température du forage de production au bout de 30 jours de fonctionnement. Elle est due à l'arrivée des premiers filets d'eau réinjectée, reprise par le puits de pompage. A partir de cet instant, leur température augmentera. On constate par exemple qu'après 5 mois, ils atteignent 20,4 C dans le cas d'une réinjection à 21 C. Ils atteindraient 23* C dans le cas d'une réinjection à 24 C.

16 Ce réchauffement s'étendra peu à peu à l'ensemble de l'eau attirée par le forage de pompage x l itati n_à_50 m3/h_ Le front chaud atteint le forage de production au bout de 50 jours. Après 5 mois de fonctionnement, les filets les plus directs sont à 22 C dans le cas d'une réinjection â 24 C Aquifëre hétérogène et anisotrope Un autre passage a été effectué en prenant les perméabilités horizontales du calcaire grossier et des sables yprésiens citées plus haut (respectivement 5.10 et 5.10 m/s) et en considérant que la perméabilité verticale était 1000 fois plus faible. Même avec cette anisotropie vraisemblablement très exagérée, on constate que la température du puits de pompage commence à augmenter au bout d'un temps analogue à cause du transfert de chaleur par conduction. Le réchauffement est cependant plus lent par la suite.

17 CONCLUSIONS Sous le site considéré, les Sables yprésiens ne semblent pas être suffisamment épais pour fournir, à eux seuls, 80 m3/h. Ce débit ne pourra sans doute être obtenu qu'en captant- simultanément la partie basse des calcaires lutétiens. La simulation d'un pompage à ce débit entre 32 et 44 m pendant injection entre 18 et 30 m avec un A t de 9 C (15 C à 24 C) montre qu'au bout de 5 mois, de l'eau réchauffée de 90 % du A t commence à arriver au forage de production. Au débit de 50 m3/h, avec le même dispositif de forages et au bout du même temps, la température est augmentée de 77 % du A t. Ces deux valeurs sont obtenues en supposant le milieu isotrope (perméabilité horizontale égale à la perméabilité verticale). En considérant la perméabilité verticale beaucoup plus faible que la perméabilité horizontale, le recyclage thermique apparaît encore très rapidement sans doute à cause des transferts de chaleur par conduction. Par ailleurs, la température de base de la nappe risque d'être augmentée de 3 C sous l'influence de la Seine. Compte-tenu également des désordres qu'une réinjection sous pression risque de provoquer sur les sous-sol de l'immeuble et les parkings souterrains voisins, il est conseillé de ne réaliser qu'un seul forage pour la production et de rejeter l'eau réchauffée à l'égoût

18 UTILISATION DES EAUX SOUTERRAINES POUR LA CLIMATISATION D'UN IMMEUBLE AVENUE DE L'OPERA PARIS 1er RESUME La société S.C.A. a demandé au B.R.G.M. d'étudier le projet d'un doublet de forages d'une cinquantaine de mètres de profondeur pour climatiser un nouveau magasin MONOPRIX - avenue de l'opéra - en utilisant les eaux de la nappe de 1'Eocène inférieur. L'étude hydrothermique réalisée par simulation sur modèle, à l'aide du programme EDITH, indique un risque important de recyclage thermique dans le cas d'une réinjection à 50 m de distance du forage de production. Compte-tenu également des désordres qu'une réinjection risque de provoquer sur les sous-sol de l'immeuble et les parkings souterrains voisins, il est conseillé de ne réaliser qu'un seul forage pour la production et de rejeter l'eau réchauffée à l'égout. -o-o-o-

19 UTILISATION DES EAUX SOUTERRAINES POUR LA CLIMATISATION D'UN IMMEUBLE AVENUE DE L'OPERA PARIS 1er RESUME La société S.C.A. a demandé au B.R.G.M. d'étudier le projet d'un doublet de forages d'une cinquantaine de mètres de profondeur pour climatiser un nouveau magasin MONOPRIX - avenue de l'opéra - en utilisant les eaux de la nappe de 1'Eocene inférieur. L'étude hydrothermique réalisée par simulation sur modèle, à l'aide du programme EDITH, indique un risque important de recyclage thermique dans le cas d'une réinjection a 50 m de distance du forage de production. Compte tenu également des désordres qu'une réinjection risque de provoquer sur les sous-sol de l'immeuble et les parkings souterrains voisins, il est conseillé de ne réaliser qu'un seul forage pour la production et de rejeter l'eau réchauffée à l'égout. -o-o-o-