Cadre de l expertise : Appuis aux administrations Appuis à la police de l eau. Date de réalisation de l expertise : Février 2012

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1 Note technique Avis sur la pertinence de la modélisation hydrodynamique et thermique pour le projet de PAC du MAAPRAT BRGM/RP FR Février 2012 Cadre de l expertise : Appuis aux administrations Appuis à la police de l eau Date de réalisation de l expertise : Février 2012 Localisation géographique du sujet de l expertise : Paris Ile-de-France Auteur BRGM : P. Durst Demandeur : DRIEE Ile-de-France

2 L original du rapport muni des signatures des Vérificateurs et Approbateurs est disponible aux Archives du BRGM. Ce rapport est le produit d une expertise institutionnelle qui engage la responsabilité civile du BRGM. Étude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM "Appui à la police de l eau" année 2012 Ce document a été vérifié et approuvé par : Approbateur : Nom : Closset Luc Date : 01/03/2012 Signature : Vérificateur : Nom : Bel Alexandra Date : 29/02/2012 Signature : Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2008. Mots clés : Avis Appuis à la police de l eau Paris Géothermie très basse énergie Impact - Modélisation En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : P. DURST (2012) Avis sur la pertinence de la modélisation hydrodynamique et thermique pour le projet de PAC du MAAPRAT. BRGM/RP FR 17 p. 3 fig. BRGM, 2012, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l autorisation expresse du BRGM.

3 Synthèse Contexte : Date de la formulation de la demande d expertise au BRGM : 20/02/2012 Demandeur : Direction Régionale et Interdépartementale de l'environnement et de l'energie d'ile-de-france - Unité Territoriale Eau/Axes et Paris Proche Couronne Cellule Police de l'eau de Paris Proche Couronne Nature de l expertise / question posée : Dans le cadre de l instruction au titre de la loi sur l eau du dossier de déclaration d un deuxième forage de reconnaissance pour le projet de pompe à chaleur destinée au ministère de l'agriculture, de l'alimentation, de la pêche, de la ruralité et de l'aménagement du territoire (MAAPRAT) situé au 78 rue de Varenne à Paris 7ème, la DRIEE sollicite le BRGM pour avis sur la pertinence de la modélisation hydrodynamique et thermique fournie par le pétitionnaire. Le projet de doublet géothermique du MAAPRAT est situé à proximité d'une autre installation géothermique exploitant le même aquifère. Situation du sujet : 78, rue de Varenne Paris 7 ème Nature de l intervention du BRGM : examen sur documents Dossier examiné : «Projet de géothermie très basse énergie dans le cadre de la restructuration du site de Varenne 78 rue de Varenne PARIS (7ième) - Notice d incidence au titre de la Loi sur l Eau relative à la déclaration de la création de deux ouvrages de pompage et du prélèvement et de la réinjection d eau de nappe à usage géothermique» de janvier 2012 réalisé par GEOTHER pour le compte du MAAPRAT (GEOTHER GEA Version A du 11/01/2012) et plus particulièrement l annexe 9 «Modélisation hydrodynamique et thermique» Diagnostic du BRGM : Au vu des incertitudes (dues avant tout au manque de données hydrogéologiques localement), la modélisation hydrodynamique et thermique fournie par le pétitionnaire reste assez «conceptuelle». La modélisation semble pertinente pour fournir une bonne estimation de l ordre de grandeur de l impact de l installation sur la nappe dans le secteur. Néanmoins, elle ne semble pas pouvoir apporter de conclusion fiable sur l impact ou l absence d impact au droit d un site précis (comme l hôtel Kinski) situé dans la zone d impact potentiel.

4 Sommaire SOMMAIRE CONTEXTE LOCALISATION DU SITE DOCUMENT ETUDIE LOGICIEL EMPLOYE GEOMETRIE DU MODELE CARACTERISTIQUES HYDRODYNAMIQUES ET PHYSIQUES ECOULEMENT DE LA NAPPE CONDITIONS AUX LIMITES RESULTATS DES SIMULATIONS AVIS SUR LA MODELISATION Liste des illustrations Figure 1 : Localisation des forages à proximité du projet (source GEOTHER)... 6 Figure 2 : Géométrie du modèle (source GEOTHER) Figure 3 : Incidence thermique prévisionnelle après 20 années de fonctionnement des doublets géothermiques à l échelle du quartier (source GEOTHER) Figure 4 : Effet d une variation de la direction d écoulement de la nappe sur les résultats de la modélisation... 12

5 1. Contexte Dans le cadre de l instruction au titre de la loi sur l eau du dossier de déclaration d un deuxième forage de reconnaissance pour le projet de pompe à chaleur destinée au ministère de l'agriculture, de l'alimentation, de la pêche, de la ruralité et de l'aménagement du territoire (MAAPRAT) situé au 78 rue de Varenne à Paris 7ème, la DRIEE sollicite le BRGM pour avis sur la pertinence de la modélisation hydrodynamique et thermique fournie par le pétitionnaire. Le projet de doublet géothermique du MAAPRAT est situé à proximité d'une autre installation géothermique exploitant le même aquifère. 2. Localisation du site Dans le cadre de la restructuration de son site de la rue de Varenne, à PARIS (7 ème ), le Ministère de l Alimentation, de l Agriculture, de la Pêche, de la Ruralité et de l Aménagement du Territoire (MAAPRAT) souhaite satisfaire les besoins de rafraîchissement d une partie des bâtiments à l aide d'une solution de géothermie sur nappe. La solution d une pompe à chaleur sur nappe d eau souterraine à partir d un dispositif de forages dit de «captage rejet» a été retenue. Le débit de pointe nécessaire pour le projet a été évalué à 25 m³/h pour un besoin de froid de 191kW, l eau étant réinjectée dans la nappe à une température supérieure de 9 C à la température de captage. La nappe intéressée par le projet est celle des calcaires du Lutétien. Ces derniers sont biseautés à l ouest par les sables de l Yprésien avec lesquels ils sont en équilibre hydraulique. Le projet de géothermie sera constitué : - D un forage d injection F1, situé à l ouest du site ; - D un ou deux forages de pompage. F2 au sud du site et F3 à l est au cas où F2 ne permettrait pas de prélever 25 m 3 /h. L exploitation géothermique déclarée la plus proche en aval du MAAPRAT est un quadruplet de forages situés au 53 rue Saint Dominique (Hôtel Kinski). Ces forages géothermiques captant la nappe de l Yprésien, en équilibre hydrodynamique avec celle du Lutétien, sont situés à environ 400 m en aval hydraulique du projet. Quatre autres installations exploitent cette nappe dans un rayon de 500 m, mais ne sont à priori pas à l aval du site (Figure 1). Rapport BRGM/RP FR 5

6 Figure 1 : Localisation des forages à proximité du projet (source GEOTHER) 6 Rapport BRGM/RP FR

7 3. Document étudié Le présent avis est basé sur l examen du rapport «Projet de géothermie très basse énergie dans le cadre de la restructuration du site de Varenne 78 rue de Varenne PARIS (7ième) - Notice d incidence au titre de la Loi sur l Eau relative à la déclaration de la création de deux ouvrages de pompage et du prélèvement et de la réinjection d eau de nappe à usage géothermique» daté de janvier 2012, réalisé par GEOTHER pour le compte du MAAPRAT (GEOTHER GEA Version A du 11/01/2012) et plus particulièrement l annexe 9 «Modélisation hydrodynamique et thermique» LOGICIEL EMPLOYE La modélisation a été réalisée avec le logiciel Feflow développé par DHI-WASY. Ce logiciel de modélisation en éléments finis permet de modéliser les écoulements hydrodynamiques ainsi que le transport de chaleur et a été largement utilisé pour la modélisation de fonctionnement d installations de géothermie sur nappe GEOMETRIE DU MODELE La géométrie utilisée et celle d une formation aquifère horizontale et d épaisseur égale sur une superficie de 4.5 km 2 (Figure 2). Cette formation représente la couche des calcaires du Lutétien, mais aussi, à l ouest, celle des sables de l Yprésien (lorsque celui-ci vient biseauter la formation Lutétienne). Rapport BRGM/RP FR 7

8 Figure 2 : Géométrie du modèle (source GEOTHER) Cette formation a été divisée en quatre couches de manière à représenter les hétérogénéités géologiques verticales et variations de perméabilité constatées lors du pompage de longue durée réalisé au forage F1. 8 Rapport BRGM/RP FR

9 3.3. CARACTERISTIQUES HYDRODYNAMIQUES ET PHYSIQUES Les paramètres hydrodynamiques et physiques renseignés dans le modèle sont les suivants : Les valeurs du coefficient de perméabilité proviennent des résultats du pompage d essai de longue durée réalisé au droit du forage F1. Dans le modèle, le paramètre a été renseigné comme suit : m/s dans les deux couches supérieures ; m/s dans les deux couches inférieures. La perméabilité est supposée homogène sur tout le modèle : les coefficients de perméabilité sont attribués à toute la couche de façon uniforme. De même, il est supposé que les sables de l Yprésien ont une perméabilité du même ordre de grandeur. Le coefficient d emmagasinement est fixé à 5%, ce qui correspond à une valeur type pour une nappe libre de nature calcaire et il est supposé être identique pour les sables de l Yprésien. La dispersivité utilisée est une valeur par défaut. Les paramètres thermiques des terrains sont des valeurs standards et supposées homogènes sur tout le modèle ECOULEMENT DE LA NAPPE CONDITIONS AUX LIMITES Il n existe pas de carte piézométrique actualisée de la nappe des calcaires du Lutétien dans le secteur d étude. La seule carte piézométrique existante, celle de l atlas des nappes aquifères de la région parisienne (BRGM, 1970), n est plus à jour compte tenu de la forte exploitation de la nappe dans ce secteur au moment de sa réalisation. Une carte piézométrique simplifiée a donc été établie à partir des données piézométriques connues sur les forages voisins. Cette carte suppose un écoulement uniforme vers le nord-ouest. Les limites nord-est et sud ouest sont supposées à flux nul, les limites sud-est et nord ouest sont supposées à potentiel imposé. La température initiale de l aquifère, ainsi que celle de l eau entrant par la limites amont est fixée à 16 C. L eau est réinjectée à une température supérieure de 9 C à celle de l eau pompée. Rapport BRGM/RP FR 9

10 3.5. RESULTATS DES SIMULATIONS Deux scénarios ont été simulés, selon qu il y ait un ou deux forages de prélèvement. L installation est supposée fonctionner en continu pendant 215 jours par an et être à l arrêt durant les 150 jours restant. Dans les deux cas les résultats sont très similaires. Les simulations ont été menées sur une période de 20 ans, avec des résultats très semblables pour les deux scénarios. D après ces résultats, l installation de l hôtel Kinski serait atteinte par le panache thermique au bout de 10 ans, mais resterait à la marge de ce panache et ne subirait qu une augmentation de température négligeable (d environ 0.2 C) au bout de 20 ans (Figure 3). L effet sur le niveau piézométrique resterait lui aussi négligeable (élévation de 7 à 8 cm selon le scénario). Figure 3 : Incidence thermique prévisionnelle après 20 années de fonctionnement des doublets géothermiques à l échelle du quartier (source GEOTHER) 10 Rapport BRGM/RP FR

11 4. Avis sur la modélisation La modélisation présentée dans le document semble, au regard du faible nombre de données sur les caractéristiques des aquifères concernés et sur la piézométrie de la nappe, susceptible de donner une idée de l importance du panache thermique et de sa migration. Néanmoins, elle reste relativement «conceptuelle» du fait des éléments suivant : - Le modèle ne tient pas compte des variations de la géométrie des aquifères (variation d épaisseur, biseautage par les sables de l Yprésien ) ; - L attribution de caractéristiques hydrodynamiques et physiques homogène est sur tout le modèle. En particulier, compte tenu de la transition entre les calcaires grossiers du Lutétien et des sables de l Yprésien, cette hypothèse représente une forte simplification ; - L attribution de certaines caractéristiques hydrodynamiques et physiques de valeurs «standards», non issues du secteur étudié, engendre une certaine incertitude ; - Les valeurs de perméabilités renseignées dans le modèle étant issues des essais de pompage longue durée réalisés sur le site, la modélisation permet d avoir une bonne estimation de l ordre de grandeur de l impact thermique de l installation sur la nappe ; - La piézométrie utilisée reste schématique au vu du faible nombre de points de mesures pris en considération pour définir l écoulement local de la nappe. La direction d écoulement est pourtant une hypothèse forte de la modélisation impactant l orientation du panache thermique en aval de l installation ; - Il n est pas fait mention dans le document de l éventuelle dissipation de chaleur aux limites supérieures et inférieures de la nappe. Ce point serait toutefois de nature à diminuer l impact. Comme le montre la figure 4 pour illustrer l influence possible de ces incertitudes, une variation de la direction d écoulement local de la nappe, entre le site et l hôtel Kinski, pourrait amener à une augmentation de température de l eau jusqu à 20 C (pour une déviation de 10 vers le sud-est) ou 25 C (pour une déviation de 20 vers le sud-est). A l inverse, l impact de l opération géothermique pourrait être nul si la nappe s écoule plus vers l ouest. Rapport BRGM/RP FR 11

12 Figure 4 : Effet d une variation de la direction d écoulement de la nappe sur les résultats de la modélisation Au vu de ces considérations, la modélisation hydrodynamique et thermique réalisée par le pétitionnaire semble pertinente pour fournir une bonne estimation de l ordre de grandeur de l impact de l installation sur la nappe. Néanmoins, elle ne semble pas pouvoir apporter de conclusion fiable sur l impact ou l absence d impact sur les installations de l hôtel Kinski. 12 Rapport BRGM/RP FR

13 Centre scientifique et technique 3, avenue Claude-Guillemin BP Orléans Cedex 2 France Tél. : Service géologique régional Ile-de-France 7 rue du théâtre Massy Tel :