Module Hydrologie: Méthode pour apprécier le degré de naturalité du régime d écoulement des cours d eau 1

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1 Module Hydrologie: Méthode pour apprécier le degré de naturalité du régime d écoulement des cours d eau 1 Martin Pfaundler, Thomas Scheuner, Christina Dübendorfer 1. Introduction L objectif du système modulaire gradué [1] est le développement de méthodes standardisées permettant d analyser et d apprécier l état des cours d eau en Suisse. À côté des modules existants ou en développement consacrés aux domaines de la biologie, de l'écomorphologie, de la chimie et de l'écotoxicologie, il manquait un module qui porte sur l écoulement des eaux, autrement dit l hydrologie, pour aboutir à une appréciation intégrée de l état des eaux. Le module «Hydrologie régime d écoulement» au niveau R (région), ou HYDMOD-R, est conçu comme une aide à l exécution en faveur d un régime d écoulement proche de l état naturel, objectif visé par la législation relative à la protection des eaux, et doit permettre d apprécier l objectif «débit suffisant» défini dans les «Idées directrices Cours d eau suisses» [2]. La méthode HYDMOD-R s adresse aux services cantonaux concernés, en particulier à ceux de la protection et de l utilisation des eaux. Les bureaux d ingénieurs ou d experts, ainsi que les exploitants d installations, peuvent également l utiliser. Dans cet article, nous voulons présenter les principes et les éléments d HYDMOD-R [3] qui est publié en tant que projet sur le site Internet du système modulaire gradué ( > Hydrologie). 2. Situation initiale et principes Conformément à la logique du système modulaire gradué (cf. l article de Langhans et al. dans cette édition), HYDMOD-R est conçu pour le niveau R. Il permet une analyse globale de tous les cours d eau d un grand territoire (canton, région), avec un degré de précision et de travail investi par tronçon de cours d eaux étudié relativement limité. HYDMOD-R représente une méthode pour décrire les conditions hydrologiques d une région, en y relevant les atteintes liées à l'utilisation des eaux et en évaluant ses effets sur le régime d écoulement. Le degré de naturalité du régime d écoulement est apprécié à l aide de neuf indicateurs. Le module HYDMOD-R est également utile à l'évaluation de l état écologique des cours d eau. En effet, le bon état écologique des eaux dépend de leur qualité, de leur écomorphologie et de l hydrologie. Par conséquent, en évaluant le degré de naturalité d'un régime d écoulement à l aide d HYDMOD-R, on obtient uniquement une indication de l intensité avec laquelle la fonctionnalité naturelle d un cours d eau se trouve compromise d un point de vue strictement hydrologique. HYDMOD-R suit une approche axée sur les atteintes. La plupart des perturbations hydrologiques sont dues à des atteintes ponctuelles et directes liées à l'utilisation des eaux. L avantage est que les relevés peuvent se focaliser de façon précise sur les atteintes et les tronçons de cours d eau concernés. Les atteintes proviennent en grande partie des secteurs de l utilisation de l énergie hydraulique et de la gestion des eaux urbaines. 3. Indicateurs d évaluation du régime d écoulement La notion de «régime d écoulement» désigne le comportement hydrologique d un cours d eau. Le comportement hydrologique peut être subdivisé en trois régimes partiels: le régime des débits moyens, le régime de crue et le régime d étiage. Les paramètres qui les caractérisent ont chacun un impact différent sur le milieu et peuvent être altérés par des atteintes. HYDMOD-R tient également compte des effets de courte durée (éclusées, purges et vidanges, déversements d eau de pluie) dus à l activité humaine. Les indicateurs d évaluation, sur lesquels HYDMOD-R se base, ont été choisis en tenant compte des critères suivants: la pertinence écologique de l indicateur; un vaste relevé des caractéristiques du régime d écoulement; 1 Publié comme article dans le bulletin ARPEA No 237, Juillet 2008

2 le relevé des effets des atteintes liées à la gestion des eaux; la faisabilité de l analyse et le travail à fournir. Ces considérations ont présidé au choix des indicateurs d évaluation répertoriés au tableau 1. Tableau 1: Les quatre parties du régime d écoulement et les indicateurs d évaluation correspondants. Partie Régime des débits moyens Régime de crue Régime d étiage Effets de courte durée Indicateurs d évaluation 1 Comportement des débits moyens 2 Fréquence de crue 3 Saisonnalité des crues 4 Débit d étiage 5 Saisonnalité de l étiage 6 Durée des périodes d étiage 7 Phénomène d éclusée 8 Purge et vidange 9 Déversements d eau de pluie 4. Méthodologie L évaluation se déroule en quatre grandes étapes présentées à la figure Délimitation du système et inventaire des atteintes La première étape consiste à délimiter le terrain d étude. Idéalement, celui-ci devrait se rapporter à un bassin versant hydrologique, lequel peut aussi s étendre au-delà des frontières politiques ou administratives. En effet, c est le bassin versant qui représente l espace dans lequel les atteintes se répercutent sur le régime d écoulement. Pour dresser l inventaire des atteintes, il faut commencer guidé par une typologie suggérée (cf. tableau 2) par identifier et relever l ensemble des atteintes susceptibles d agir sur le régime d écoulement. Dans le cadre d HYDMOD-R, les atteintes désignent des mesures anthropiques de nature constructive ou opérationnelle, qui agissent sur le régime d écoulement. Tableau 2: Typologie des atteintes A) Prélèvement d eau (des eaux de surface) A1 Prélèvement pour l utilisation hydroélectrique A2 Prélèvement d eau potable et industrielle (utilisation communale et industrielle) A3 Dérivation de l eau de refroidissement A4 Prélèvement pour l enneigement artificiel A5 Prélèvement pour l irrigation agricole A6 Prélèvement pour l exploitation piscicole C) Accumulation, retenue et régulation de l eau (modifications du débit et du régime temporel) C1 Lac de retenue pour la force hydraulique (réservoir journalier/hebdomadaire/annuel) C2 Lac de retenue polyvalent ou autre but (irrigation, tourisme, enneigement,...) C3 Régulation du débit des lacs naturels (écoulement des lacs) C4 Bassins de rétention contre les crues B) Déversement d eau (directement dans des eaux de surface) B1 Évacuation des eaux pluviales des routes B2 Rejet de STEP B3 Canalisation des eaux de pluie (réseau d égout séparatif sans bassin de retenue des eaux pluviales) B4 Décanteur / bassin de retenue pour les eaux pluviales (système unitaire ou séparatif de la canalisation) B5 Déversement d eau de refroidissement B6 Transfert d autres bassins versants B7 Exploitation par éclusée des centrales hydroélectriques B8 Restitution du débit turbiné des centrales hydroélectriques (pas type B7) D) Atteintes liées à la gestion de l eau souterraine D1 Prélèvement de sources D2 Prélèvement d eau souterraine pompée D3 Alimentation d une nappe souterraine E) Purges et vidanges (gestion des sediments) E1 Purge ou vidange des réservoirs de retenue E2 Purge des dessableurs (prise d eau, STEP, etc.) Dans une prochaine étape, l importance et la signification des atteintes identifiées seront examinées. Pour HYDMOD-R, une atteinte est importante lorsqu elle dépasse une certaine valeur minimale. On évite ainsi de devoir consacrer par la suite trop de temps aux petites atteintes, qui sont souvent mal documentées. L étape suivante consiste à établir, dans le sens d une considération des immissions, si

3 l ampleur de l atteinte est significative relativement aux conditions hydrologiques naturelles du cours d eau étudié. Les critères de signification mettent en rapport une grandeur qui caractérise l atteinte avec un paramètre hydrologique du régime d écoulement naturel à l endroit de l atteinte. Lorsqu une atteinte reste inférieure au critère de signification défini, on admet qu elle n influence pas significativement le régime d écoulement et que celui-ci peut être classé, malgré l atteinte, état naturel ou proche de l état naturel. Cette élimination préliminaire permet donc de réduire le travail à fournir pour appliquer la méthode et représente une concession à l applicabilité de la méthode. A titre d exemple, la figure 1 montre la représentation cartographique de l inventaire des atteintes pour le bassin versant du Valle di Blenio, TI, où la méthode a été testé (cf. chapitre 5). Figure 1 : Représentation cartographique de l inventaire des atteintes pour le bassin versant du Valle di Blenio, TI 4.2 Détermination des indicateurs d évaluation Dans une étape consécutive, les neuf indicateurs d évaluation sont appliqués à toutes les atteintes et les classes d état pertinentes sont déterminées conformément au schéma à cinq classes du système modulaire gradué. En fonction du type d atteinte il n est pas nécessaire de calculer tous les neuf indicateurs d évaluation. Certaines atteintes ne modifient que quelques caractéristiques du régime d écoulement. Ainsi, pour simplifier l utilisation d HYDMOD-R, l évaluation peut se limiter à l analyse des indicateurs qui risquent d être perturbés. Pour n exposer qu un des neuf indicateurs, le chapitre suivant décrit brièvement l exemple de l indicateur portant sur les éclusées.

4 4.2.1 Phénomène d éclusée On parle de phénomène d éclusée lorsque le débit d un cours d eau subit des variations régulières se produisant à intervalles rapprochés, caractérisées par de rapides augmentations et diminutions. Les hydrogrammes marqués par des éclusées (qui peuvent être interprétées comme des impulsions) suivent généralement un cycle journalier et sont surtout dus au fonctionnement des centrales à accumulation gérées pour répondre à la demande en électricité. L impact écologique du phénomène d éclusée réside dans le stress hydraulique provoqué par le débit d éclusée (force du courant, turbidité, dérive des macroinvertébrés, transport de matières solides, etc.) ainsi que la modification continuelle des conditions du milieu naturel. La règle de classement est visualisée dans figure 2 et se base sur les deux valeurs indicatrices suivantes : le rapport débit d éclusée / débit plancher, complété par un facteur de correction pour le taux de montée et de descente du niveau d eau durant l éclusée, comme indicateur de l intensité de l impulsion le rapport débit d éclusée / débit annuel moyen de l état de référence, complété par un facteur de correction pour la surface du bassin versant, comme indicateur du stress hydraulique pesant sur l habitat aquatique. Avec ces deux valeurs on peut entrer dans le schéma de la figure 2 pour déterminer la classe d état. Les explications détaillées pour la définition des limites entre les classes sont fournies dans [3]. Figure 2 : Règle de classement pour l indicateur «phénomène d éclusée» 4.3 Évaluation par tronçon Après avoir calculé les différents indicateurs d évaluation, on dispose d une évaluation ponctuelle aux endroits des atteintes. Il s agit dans un deuxième temps de transposer cette information ponctuelle au réseau hydrographique, qui, pour ce faire, est subdivisé en tronçons avec des conditions hydrologique similaires. Pour évaluer les tronçons situés en aval d atteintes, on tient compte des résultats de l évaluation des atteintes significatives en amont, ainsi que les bassins intermédiaires non altérés. 4.4 Évaluation globale Suite à l évaluation par tronçon, les évaluations des neuf indicateurs se présentent sous forme d évaluations individuelles pour tous les tronçons étudiés. Cependant, le système modulaire gradué exige une évaluation globale par module, permettant une rapide vue d ensemble de l état des cours d eau. En agrégeant les neuf évaluations individuelles, on peut obtenir une évaluation globale par tronçon de cours d eau. La règle d agrégation définie, intègre aussi bien la pire des neuf évaluations individuelles («worst-case») que la somme de toutes les évaluations individuelles.

5 5. Etude de cas Valle de Blenio, TI Pendant le développement de HYDMOD-R, la méthode a été testée pour le Sitter (Ct. SG et les deux demi-cantons d Appenzell) et pour le Brenno (Valle di Blenio, Ct. TI). Ci-après quelques résultats de l application de HYDMOD sont illustrés pour le Valle di Blenio, qui est caractérisé par maintes atteintes liées à l exploitation hydroélectrique (prélèvements et dérivations d eau, réservoirs et centrales hydroélectriques). La figure 3 montre la représentation cartographique des résultats pour une sélection d indicateurs ainsi que pour l évaluation globale ressortant de l application de l outil HYDMOD-GIS. Figure 3 : Etude de cas Valle di Blenio, TI. Résultats pour des indicateurs individuels de HYDMOD-R. En haut à gauche : Débit d étiage. En haut à droite : Saisonnalité d étiage ; En bas à gauche : Fréquence de crue. En bas

6 à droite : Evaluation globale. Pour la plupart des tronçons, l impact de l exploitation hydroélectrique sur l indicateur «débit d étiage» est fort, avec une dominance des classes d état entre 3 et 5. Seulement pour la rivière Orino dans la vallée Malvaglia l appréciation est meilleure. Dans la partie supérieure de la vallée, directement en aval du prélèvement, le cours d eau se trouve dans la classe 5. Mais l influence du prélèvement se réduit rapidement de sorte que la rivière est classée naturelle à l embouchure dans le lac de Malvaglia. L impact négatif du réservoir est évident et s étend jusqu à la jonction avec le Brenno à Malvaglia. L influence des prélèvements dans le Valsoi sur le classement de l indicateur Q 347 n est pas fort et la classe 1 est attribuée pour tout le tronçon parce que la rivière Valsoi n a pas de débit permanent (Q 347 = 0 aussi pour l état naturel). Néanmoins, y a-t-il un impact des prélèvements sur le régime d étiage bien visible pour les indicateurs «saisonnalité de l étiage» et «durée des périodes d étiage». Les résultats de l indicateur «saisonnalité de l étiage» sont similaires à celles de l indicateur débit d étiage, bien que l impact soit un peu moins fort. La raison en est que sous conditions naturelles, les périodes d étiages ont lieu principalement entre janvier et mars et que cette période s étend avec l exploitation hydroélectrique à six mois (octobre à mars). Ceci tant pour les prélèvements d eau sans dotation que pour ceux avec dotation. Concernant la «saisonnalité des crues», les résultats sont bien différents. Presque tous les tronçons évalués appartiennent à la classe 1, ce qui correspond à un état naturel ou proche de l état naturel. Cela s explique pour deux raisons : D une part tous les prélèvements ont une capacité limitée de captage maximale avec la conséquence qu au-delà de cette capacité le débit lors d une crue reste dans la rivière. D autre part les réservoirs n engendrent pas de crues artificielles qui pourraient modifier la saisonnalité des crues. Cependant, l effet des prélèvements sur le régime de crue est saisi dans cet exemple par l indicateur «fréquence de crue». Les résultats sont tels que l impact des atteintes est fort directement à l endroit de l atteinte, toutefois se réduisant rapidement en aval grâce aux tributaires naturels, avec la fleuve principale, le Brenno, étant caractérisé avec classe 3. Finalement, l évaluation globale donne un aperçu de l état du régime d écoulement dans le bassin versant. Dans ce cas-là, l évaluation globale est marquée par les résultats des indicateurs du régime d étiage. Directement en aval des atteintes, les décalages du régime naturel sont les plus évidents. Bien que ce «signal brouilleur» soit mitigé en aval des atteintes par des affluents de cours d eau noninfluencés, la partie inférieure du Brenno jusqu à la jonction avec le fleuve Ticino est classée «fortement atteint» (classe 4). Dans la représentation cartographique de l évaluation globale, les tronçons à débits résiduels sont caractérisés avec une hachure spécifique. 6. Le «paquet» HYDMOD-R L utilisation d HYDMOD-R nécessite divers paramètres hydrologiques. Cependant, dans de nombreux cas, les données disponibles ne sont pas suffisantes. Il a donc fallu élaborer une série de bases hydrologiques et de méthodes d estimation parallèlement au développement de la méthode. Ces bases et méthodes font partie intégrante d HYDMOD-R. Enfin, quelques outils électroniques ont été développés et mis à disposition pour l application assistée par ordinateur, pour la standardisation et pour faciliter le travail. Ainsi, il faut considérer HYDMOD-R comme un paquet. Les outils mentionnés contiennent: HYDMOD-Soft: calcul d une sélection de paramètres hydrologiques sur la base de données brutes, notamment des débits journaliers moyens. HYDMOD-Tools: calcul et classement des indicateurs d évaluation, estimation indirecte des paramètres hydrologiques. HYDMOD-Inventory: modèle d inventaire pour le relevé des atteintes et pour l enregistrement des résultats de l évaluation des atteintes, y compris représentation de l évaluation sous forme de tableaux. HYDMOD-GIS: modèle de données, jeu de symboles et application SIG (ESRI Software) pour le traitement cartographique des résultats de l évaluation.

7 HYDMOD-Assess: modèle d enregistrement des résultats de l évaluation pour les tronçons de cours d eau, y compris fonctionnalité de l agrégation pour l évaluation globale et la représentation de l évaluation sous forme de tableaux. Figure 4: Structure du module «Hydrologie régime d écoulement» au niveau R (région) 7. Conclusion et perspective Le module «Hydrologie régime d écoulement» examine différents aspects concernant les altérations du régime d écoulement et par conséquent présente une idée globale très nuancée du degré de naturalité d écoulement des eaux. La méthode donne une vue d ensemble régionale des atteintes importantes pour le régime d écoulement dans un bassin versant. Les impacts sont quantifiés et les déficits de l état des eaux sont appréciés et représentés dans une perspective hydrologique. HYDMOD-R ne propose toutefois pas des mesures. L utilisation du module HYDMOD-R exige un certain travail préalable pour se familiariser avec la méthode, la démarche et les divers outils. Cet effort dépend beaucoup du nombre et de la complexité des atteintes (captage et obtention d information) dans le bassin, ainsi que de la disponibilité des données (déduction des paramètres hydrologiques nécessaires). Les outils électroniques sont mis à disposition pour simplifier le travail à fournir. La méthode elle-même demande des connaissances techniques en hydrologie, gestion et écologie des eaux. Les cercles intéressés sont invités à expertiser et tester le projet de la méthode jusqu à l automne Avec les feed-back et les expériences faites par des applications concrètes, la méthode sera ensuite remaniée et publiée définitivement. Les outils électroniques et d autres sous-produits, développés dans le cadre d HYDMOD-R, peuvent aussi être employés pour d autres questions hydrologiques. Conjointement avec le projet de la méthode, ils sont gratuitement disponibles sur le site Internet > Hydrologie. Bibliographie [1] OFEFP (1998): Système modulaire gradué. Méthodes d analyse et d appréciation des cours d eau en Suisse. Informations concernant la protection des eaux n 26. Berne (ou : [2] OFEFP et OFEG (2003): Idées directrices - Cours d'eau suisses. Pour une politique de gestion durable de nos eaux. [3] Pfaundler M. et al. (2007): Méthodes d analyse et d appréciations des cours d eau. Hydrologie régime d écoulement. L environnement pratique. Projet d octobre Office fédéral de l environnement, Berne, 104 p.