Connaissance hydrogéologique du sous-sol de l agglomération lyonnaise rapport d étape phase 3

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1 Connaissance hydrogéologique du sous-sol de l agglomération lyonnaise rapport d étape phase 3 Calage du modèle hydrodynamique en régime transitoire Rapport final BRGM/RP FR décembre 2006

2 Connaissance hydrogéologique du sous-sol de l agglomération lyonnaise rapport d étape phase 3 Calage du modèle hydrodynamique en régime transitoire Rapport final BRGM/RP FR décembre 2006 Étude réalisée dans le cadre des projets de Service public du BRGM 03EAUC53 J.J. Seguin et J. Nicolas Approbateur : Nom : F. Deverly Date : Signature : En l absence de signature, notamment pour les rapports diffusés en version numérique, l original signé est disponible aux Archives du BRGM. Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000. I M AVRIL 05

3 Mots clés : Grand-Lyon - Modélisation hydrodynamique - Remontée de nappe - Relations nappes-cours d'eau, réseau de surveillance piézométrique. En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : J.J. Seguin, J. Nicolas (2006) - Connaissance hydrogéologique du sous-sol de l agglomération lyonnaise - Rapport d étape - Phase 3. et suivi du réseau piézométrique, BRGM/RP FR, 119 p., 29 fig., 15 tab., 5 ann.. BRGM, 2008, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l autorisation expresse du BRGM.

4 Synthèse Traversée par le Rhône et la Saône et s'étendant au dessus de nappes alluviales peu profondes, la Communauté Urbaine de Lyon (le "Grand Lyon") est exposée à des risques d'inondation, non seulement par débordement possible des deux cours d eau, mais aussi par remontée des nappes connectées hydrauliquement à ceux-ci. L'amélioration de la prévention et de la protection vis-à-vis de ces risques d'inondation est une priorité du Grand Lyon. Ce risque est complexe car il résulte de la combinaison d'une vulnérabilité forte (générée par une zone urbaine particulièrement développée), et d'un aléa hydraulique lié aux débordements possibles du Rhône et de la Saône, du ruissellement pluvial urbain et de remontées de nappes. C'est sur cette problématique de "remontée de nappes" que le Grand Lyon et le BRGM ont souhaité travailler en partenariat dans le cadre d'une Convention pluriannuelle de Recherche et Développement partagés signée en Ce rapport expose les résultats obtenus en année 3 du projet, c'est-à-dire le calage en régime transitoire du modèle hydrodynamique. Celui-ci a été construit et calé en régime permanent en année 2 du projet (rapport BRGM RP FR, Décembre 2005), l'année 1 ayant été consacrée à une synthèse géologique et hydrogéologique (rapport BRGM RP FR, 2004). La modélisation a été réalisée en régime transitoire sur la période au pas de temps mensuel. Le couplage entre la nappe et le réseau hydrographique permet de simuler les échanges de flux entre Saône et Rhône d'une part et la nappe d'autre part et donc d'estimer l'impact sur la nappe des niveaux hauts de ces deux cours d'eau. Le modèle tient compte aussi du drainage de la nappe par les drains de la Compagnie Nationale du Rhône (CNR). Il intègre les principaux ouvrages souterrains pouvant influencer les écoulements souterrains : fondations de bâtiments, parkings, lignes de métro, canalisations de grand diamètre. A l'issue de cette phase 3, une bonne adéquation a été obtenue entre les mesures et les calculs : le calage a été réalisé en utilisant les chroniques piézométriques disponibles sur la période (30 piézomètres). Les données du nouveau réseau piézométrique (rapport BRGM RP FR, 2005), mis en service début octobre 2006, ont servi quant à elles à valider le calage sur la période et à l'affiner sur quelques secteurs. Le rapport présente enfin la mise en place du réseau de surveillance piézométrique opérationnel depuis octobre BRGM/RP FR Rapport final 3

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6 Sommaire 1. Introduction Rappels sur le modèle hydrodynamique DONNÉES NÉCESSAIRES A LA MODÉLISATION GÉOMÉTRIE DU MODÈLE Limites Conditions aux limites Maillage RÉSEAU HYDROGRAPHIQUE ET DRAINS Rhône et Saône Drains de la CNR OUVRAGES SOUTERRAINS Sous-sols de bâtiments et parkings Lignes de métro Réseaux de distribution d'eau Introduction des ouvrages souterrains DONNÉES UTILISÉES POUR LE RÉGIME PERMANENT Champ de perméabilités Estimation de la recharge par les eaux pluviales Prélèvements Débits de fuite dans les réseaux de distribution d eau et d assainissement Ligne d'eau du Rhône et de la Saône RÉSULTATS DU CALAGE EN RÉGIME PERMANENT Piézométrie utilisée pour le calage et paramètres ajustés Diagramme de dispersion Calage du modèle en régime transitoire DONNÉES VARIABLES DANS LE TEMPS UTILISÉES Niveaux du Rhône et de la Saône Recharge par les pluies Prélèvements dans la nappe Chroniques piézométriques RÉSULTATS DU CALAGE Utilisation de l'ancien réseau piézométrique BRGM/RP FR Rapport final 5

7 Comparaison avec les mesures utilisées pour le calage en régime permanent Utilisation du nouveau réseau piézométrique Restitution des paramètres Réseau de surveillance piézométrique RÉALISATION DE NOUVEAUX PIÉZOMÈTRES EQUIPEMENT ET FONCTIONNEMENT DE L'ENSEMBLE DES PIÉZOMÈTRES Conclusions Bibliographie...67 Liste des figures Figure 1 : Délimitation de la zone d'étude Figure 2 : Principales unités hydrogéologiques de la zone modélisée Figure 3 : Conditions imposées sur les limites du modèle Figure 4 : Principe de la discrétisation verticale Figure 5 : Réseau hydrographique dans le modèle Figure 6 : Localisation des drains de la CNR, des ouvrages souterrains et des lignes de métro Figure 7 : Trace des ouvrages souterrains dans la couche 3 du modèle Figure 8 : Pluies efficaces calculées à partir des données de la station météo de Bron Figure 9 : Zones de recharge par infiltration Figure 10 : Localisation des points de prélèvements recensés en Figure 11 : Diagramme de dispersion du régime permanent (sur 75 points) Figure 12 : Niveaux du Rhône au pont Morand de 1985 à Figure 13 : Niveaux de la Saône au pont de la Feuillée de 1985 à Figure 14 : Comparaison des niveaux moyens mensuels du Rhône et de la Saône de 1985 à Figure 15 : Comparaison des niveaux moyens mensuels du Rhône et de la Saône de 2000 à Figure 16 : Pluie et pluie efficace au pas décadaire (Octobre 1999 à Décembre 2006) Figure 17 : Pluie efficace mensuelle (cumul sur décades) d'octobre 1999 à Décembre Figure 18 : Prélèvements mensuels introduits dans le modèle BRGM/RP FR Rapport final

8 Figure 19 : Histogramme de la distribution des écarts de calage...50 Figure 20 : Histogramme des écarts ente mesures et calculs (Mai et Novembre 2004)...51 Figure 21 : Diagrammes de dispersion pour les mois de Mai et Novembre Figure 22 : Diagramme de dispersion pour Décembre Figure 23 : Champ de perméabilités de la couche 3 du modèle...56 Figure 24 : Champ de perméabilités de la couche 5 du modèle...57 Figure 25 : Coefficients d'emmagasinement de la couche 3 du modèle...58 Figure 26 : Coefficients d'emmagasinement de la couche 5 du modèle...59 Figure 27 : Perméabilités de colmatage des cours d'eau...60 Figure 28 : Réalisation de l ouvrage rue des docks...61 Figure 29 : Exemple d installation à l église Saint-François Régis de Villeurbanne...62 Liste des tableaux Tableau 1 : Données nécessaires pour la modélisation hydrodynamique...13 Tableau 2 : Valeurs de perméabilités utilisées pour calculer une perméabilité équivalente dans chaque maille du modèle...27 Tableau 3 : Ecarts de calage en régime permanent...33 Tableau 4 : Statistiques calculées sur 72 points...35 Tableau 5 : Caractérisation statistique globale des niveaux du Rhône et de la Saône en m NGF...37 Tableau 6 : Pluie efficace annuelle de 2000 à Tableau 7 : Prélèvements annuels (en m 3 ) sur la période 2000 à Tableau 8 : Reconstitution des débits de drainage des parkings souterrains...44 Tableau 9 : Caractéristiques statistiques globales des niveaux mesurés sur le nouveau réseau piézométrique...46 Tableau 10 : Analyse du calage sur les piézomètres "Rive gauche" et "Presqu'île"...47 Tableau 11 : Analyse du calage sur les piézomètres "Vaise"...48 Tableau 12 : Analyse du calage sur les piézomètres "Pierre Bénite"...48 Tableau 13 : Analyse du calage sur les piézomètres " Centre"...49 Tableau 14 : Comparaisons statistiques avec les mesures utilisées pour le régime permanent...50 Tableau 15 : Comparaisons des niveaux calculés aux mesures faites sur les piézomètres du nouveau réseau...53 BRGM/RP FR Rapport final 7

9 Liste des annexes Annexe 1 Liste des piézomètres utilisés dans la modélisation Annexe 2 Comparaisons des niveaux calculés aux niveaux mesurés sur les piézomètres de l'ancien réseau ( ) Annexe 3 Comparaisons des niveaux calculés aux niveaux mesurés sur les piézomètres du nouveau réseau (Octobre-Décembre 2006) Annexe 4 Carte de localisation des piézomètres utilisés dans la modélisation Annexe 5 Coupes géologiques et techniques des piézomètres réalisés BRGM/RP FR Rapport final

10 1. Introduction Traversée par le Rhône et la Saône et s'étendant au dessus de nappes peu profondes, la Communauté Urbaine de Lyon (le "Grand Lyon") est exposée à des risques d'inondation, non seulement par débordement possible du Rhône et de la Saône, mais aussi par remontée des nappes en relation hydrodynamique avec les cours d eau. Pour améliorer la prévention de ces risques d'inondation par remontée de nappe, le Grand Lyon et le BRGM ont souhaité travailler en partenariat et ont signé une Convention pluriannuelle de Recherche et Développement partagés. Au titre de cette Convention et dans le cadre de ses projets de Service Public, le BRGM doit d'une part mettre en place un réseau de surveillance piézométrique des eaux souterraines sur l agglomération lyonnaise et d'autre part réaliser une modélisation des écoulements souterrains. Dans le déroulement de l'étude, quatre phases successives ont été prévues : 1. Acquisition des données nécessaires à la modélisation géologique et hydrodynamique sur la zone d étude ; construction du modèle géologique ; sélection d'ouvrages pour constituer un réseau de suivi piézométrique. 2. Poursuite de la collecte de données nécessaires à la modélisation hydrodynamique ; construction du modèle hydrodynamique suivie d'une phase de calage en régime permanent. 3. Calage du modèle en régime transitoire au pas de temps mensuel. 4. Utilisation du modèle au pas de temps journalier pour évaluer l'impact sur la nappe de crues importantes du Rhône de la Saône (suivant différents scénarios fréquentiels fournis par la Compagnie Nationale du Rhône). En parallèle, gestion du nouveau réseau piézométrique. La première phase de la convention a été réalisée en 2004 et a fait l objet du rapport BRGM/RP FR : "Connaissance hydrogéologique du sous sol de l'agglomération lyonnaise. Rapport d'étape Phase 1 ". La deuxième phase de la convention a été réalisée en 2005 et ses résultats ont été présentés dans le rapport BRGM /RP FR : "Connaissance hydrogéologique du sous sol de l'agglomération lyonnaise. Rapport d'étape Phase 2 Construction du modèle hydrodynamique et calage en régime permanent ". Le présent rapport synthétise les résultats de la phase 3. Il rappelle les caractéristiques du modèle hydrodynamique construit (chapitre 2) puis expose les résultats du calage en régime transitoire (chapitre 3). Il présente enfin la mise en place du réseau de surveillance piézométrique (chapitre 4). BRGM/RP FR Rapport final 9

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12 2. Rappels sur le modèle hydrodynamique Pour faciliter la lecture de cette phase de la modélisation des écoulements souterrains et mettre à disposition, dans un rapport unique, tous les éléments nécessaires à la compréhension de cette modélisation, on reprend dans ce chapitre quelques éléments du rapport de phase 2 (rapport BRGM /RP FR) DONNÉES NÉCESSAIRES A LA MODÉLISATION Un modèle hydrodynamique tridimensionnel tel que celui construit pour cette étude se présente sous la forme de grilles de calcul maillées superposées issues d'un découpage de l'espace suivant les 3 dimensions ( 2.2.3). De ce découpage, il résulte un assemblage de "cellules" régulièrement ordonnées et hydrauliquement connectées, le "motif de base" étant constitué par une cellule en relation avec ses 6 voisines les plus proches (les cellules nord, sud, est, ouest et les 2 cellules situées au dessus et au dessous). En chacune des mailles de calcul, le logiciel calcule une charge hydraulique (une cote piézométrique) en fonction des données introduites. Comme pour tout problème physique, le fonctionnement du modèle exige la définition de limites et l'introduction sur ces limites de conditions pertinentes fonction du contexte hydrogéologique. Avant son utilisation, le modèle doit être "calé" : il doit être capable de reproduire au mieux des observations faites en différents points et à différentes dates. Classiquement, le calage se déroule en 2 phases afin de sérier les difficultés : une étape dite en régime permanent quand c est possible (ce régime permanent peut être un régime "moyen" annuel) à laquelle succède une phase de calage en régime transitoire. Les charges hydrauliques obtenues après le calage en régime permanent constituent alors l'état initial du régime transitoire. Dans le cas du modèle du Grand Lyon, compte tenu des liaisons hydrodynamiques entre nappe et cours d'eau, de l'existence d'un réseau de drains (drains de la Compagnie Nationale du Rhône) et de la présence d'ouvrages souterrains profonds (parkings, trémies), il faut de plus : 1. spécifier les caractéristiques du réseau hydrographique : arborescence, géométrie, paramètres de couplage, lignes d'eau ; 2. spécifier les caractéristiques du réseau de drains : arborescence, géométrie, paramètres de couplage ; 3. caractériser les ouvrages souterrains : pour les ouvrages "polygonaux" profondeur d'implantation, dimensions latérales et verticales ; pour les canalisations importantes et les tunnels : tracé des linéaires, profondeur d'implantation et diamètre. BRGM/RP FR Rapport final 11

13 Le tableau 1 ci-après regroupe les données de base nécessaires à la modélisation (en plus des données géologiques définissant la géométrie du modèle) et celles qui sont nécessaires s'il y a couplage avec des cours d'eau et un réseau de drains. 12 BRGM/RP FR Rapport final

14 Données de base : régime permanent et transitoire Types de données Observations Paramètres spatialisés Doivent être "entrés" dans tout le maillage. Perméabilités (m/s) Pour cette étude, cf pour le calcul a priori des perméabilités par maille Seules quelques valeurs étant Coefficients Uniquement en régime connues, ces paramètres doivent d'emmagasinement transitoire être restitués par le calage du spécifique (m -1 ) et libre modèle sur les observations (sans unité) piézométriques, les jaugeages,... Données variables dans le temps Doivent être introduites par maille (prélèvements, injections) ou par zone (recharge par infiltration). Dans le cas d'un régime permanent on utilise des valeurs se rapportant à la période choisie. Données utilisées pour le calage Recharge (mm /unité de temps) Prélèvements (m 3 /unité de temps) Piézométrie Doit être estimée a priori à l'aide d'un bilan hydrique à partir de la pluie, de l'etp et de la "réserve utile" des sols. La recharge calculée a priori peut être ajustée lors du calage - Mesures ponctuelles, cartes - Chroniques (pour le régime transitoire) (Certaines sont imposées sur les limites du modèle). Débits aux exutoires Sources, cours d'eau, drains Données pour le couplage avec un réseau hydrographique et de drains Types de données Observations Description du réseau : cours d'eau et drains Spécification de l'arborescence : Le réseau est découpé en affluents et chaque affluent en tronçons (un tronçon étant l'intersection du cours d'eau avec une maille). Numéros des affluents et des tronçons Longueur et largeur de chaque tronçon (m) Cote du fond (m) par tronçon Chaque tronçon est en relation avec la maille traversée Paramètres de couplage A introduire dans chaque maille traversée par les cours d'eau Données variables dans le temps Cours d'eau 1) Cours d'eau, Epaisseur de la couche de liaison entre aquifère et cours d'eau (m) Perméabilité de cette couche (m/s) 2) Drains Perméabilité d'échange Niveaux des cours d'eau = épaisseur de "colmatage" (uniquement cours d'eau) = perméabilité de "colmatage" Tableau 1 : Données nécessaires pour la modélisation hydrodynamique BRGM/RP FR Rapport final 13

15 2.2. GÉOMÉTRIE DU MODÈLE Limites Le domaine modélisé couvre approximativement les communes de la Communauté Urbaine de Lyon (figure 1). A l'ouest, la limite suit la zone de socle granitique ; à l'est, elle passe par les collines morainiques de St-Fons et de Bron, coupe la plaine alluviale au niveau de Vaulx-en- Velin et rejoint le canal de Miribel. Au nord la limite suit ce canal, passe au nord de Caluire et Cuire puis rejoint la zone de socle et la Saône au niveau de l'île Barbe. Figure 1 : Délimitation de la zone d'étude Le modèle prend en compte les unités hydrogéologiques suivantes (figure 2) : - les alluvions modernes du Rhône et de la Saône (parfois à dominante argilolimoneuse, parfois à dominante sablo-graveleuse), 14 BRGM/RP FR Rapport final

16 Connaissance hydrogéologique du sous-sol de l'agglomération lyonnaise - Phase 3 - les alluvions fluvio-glaciaires (parfois plutôt argileuses, parfois plutôt graveleuses), - les formations morainiques, argileuses ou caillouteuses, - les formassions molassiques, a priori peu aquifères, mais contenant néanmoins des lentilles ou des niveaux relativement perméables. Figure 2 : Principales unités hydrogéologiques de la zone modélisée Conditions aux limites Le choix des limites et du type de condition appliqué à ces limites (figure 3) ont été déterminés par la géologie locale et des considérations hydrogéologiques. Limite Ouest Les alluvions viennent au contact des formations granitiques du Massif Central. Les apports d'eau en provenance de ces formations sont généralement faibles car les écoulements se font essentiellement en surface et à faible profondeur, avec reprise rapide des eaux infiltrées par le réseau hydrographique de surface. Une condition de flux nul a donc été appliquée. BRGM/RP FR Rapport final 15

17 Pour tenir compte des échanges de flux entre nappe et Saône une condition "mixte" (type "nappe-cours d'eau") a été introduite au niveau des couches du modèle qui sont en contact avec la Saône. Limite Nord Au niveau de la Saône, la limite s'appuie sur le verrou de granite de l'île Barbe qui bloque les flux en provenance des alluvions en amont. Elle se prolonge vers l'est au bas de la colline de Caluire-et-Cuire constituée de matériaux très peu perméables Au Nord-Est, la limite du modèle longe le canal de Miribel (le domaine modélisé intègre le champ captant de Crépieux Charmy) 16 BRGM/RP FR Rapport final

18 Figure 3 : Conditions imposées sur les limites du modèle. Les couleurs dans la carte indiquent les cotes altimétriques moyennées sur des mailles de 100 m de côté. BRGM/RP FR Rapport final 17

19 Une condition de flux nul a été appliquée sur cette limite ainsi qu'une condition mixte (type nappe-cours d'eau) au niveau des couches du modèle qui sont en contact avec le canal de Miribel. Sur cette limite, pour les couches non connectées au canal, la condition de flux nul est appliquée. Limite Est Cette limite est parallèle aux isopièzes jusqu'au canal de Jonage ; à partir de celui-ci elle rejoint le canal de Miribel suivant un tronçon rectiligne arbitraire. Sur cette limite une "condition de potentiel" (niveaux de nappe imposés) a été provisoirement introduite (des compléments d'information sont nécessaires). Les valeurs imposées sont déduites des cotes piézométriques relevées en Remarque - Dans le régime transitoire, les niveaux imposés fluctuent en fonction des variations de niveau observées sur quelques piézomètres situés à l'est de la limite. Limite Sud Cette limite de 2 km de large environ est franchie par le Rhône juste à l'amont du barrage de Pierre Bénite. La nappe est drainée par le Rhône et la limite correspond à une ligne de courant. C'est donc aussi une limite à flux nul Maillage a) Discrétisation horizontale Dans un plan horizontal, le maillage est constitué par des mailles carrées de 100 m de côté (la grille englobant le domaine modélisé comprend 150 lignes et 120 colonnes, soit mailles). Cette taille conduit à un nombre de mailles de calcul raisonnable tout en permettant d'assurer une bonne représentation des différentes structures souterraines. b) Discrétisation verticale La discrétisation verticale s'est appuyée sur le modèle géologique réalisé lors de la première phase du projet (BRGM/RP FR) préservant le plus possible les différents niveaux géologiques identifiés et les variations de faciès. Le maillage 3D a donc été construit en définissant 16 plans horizontaux intersectant le modèle géologique (de la cote +130 m à la cote m) et délimitant 15 couches de 5 m d'épaisseur chacune (figure 4). La couche supérieure (couche 1 du modèle) est comprise entre la surface topographique et la cote +205 m). Un programme de calcul d'intersections du modèle géologique avec les 16 plans de coupe a été écrit pour repérer automatiquement les formations géologiques incluses entre 2 plans de coupe (de cotes Z i et Z i+1 ) et pour calculer, dans chaque maille de chaque plan de coupe : 18 BRGM/RP FR Rapport final

20 - les épaisseurs des 3 formations géologiques principales contenues dans le volume de la maille, données nécessaires pour calculer une perméabilité globale dans la maille (appelée perméabilité équivalente), compte tenu des perméabilités affectées à chaque formation (cf 2.5. ci-après) - le volume (en %) représenté par ces 3 formations, par rapport au volume total de la maille (à titre d'information). Simultanément, lorsqu'un ouvrage souterrain est repéré dans la maille, un code "présence d'ouvrage" est affecté à la maille (valeur 1 sinon 0). Figure 4 : Principe de la discrétisation verticale. Compte tenu des cotes de la nappe (inférieures à 175 m), les 8 premières couches ont été fusionnées en une seule, correspondant à la couche supérieure du modèle (couche notée 1 dans la suite), comprise entre la cote +170 m et la surface topographique. Le modèle comprend donc au total 9 couches. La grille 3D englobant le modèle comprend donc mailles, dont mailles de calcul. BRGM/RP FR Rapport final 19

21 2.3. RÉSEAU HYDROGRAPHIQUE ET DRAINS Rhône et Saône Rhône - Saône et nappe forment un système hydraulique en interaction : les 2 cours d eau drainent ou alimentent la nappe en fonction des différentiels de charge hydraulique (différences entre la cote de l eau dans le cours d'eau et le niveau de la nappe sous jacente). Pour prendre en compte des échanges de flux entre une nappe et un cours d'eau il faut introduire dans le modèle des données caractérisant la géométrie du cours d'eau (largeur, cotes du fond, épaisseur de sédiments) et la position de la ligne d eau (variable dans le temps). Avec le logiciel MARTHE, le réseau hydrographique doit être organisé en "affluents ". Chaque affluent, constitué d un ensemble linéaire de tronçons, peut recevoir lui même jusqu à trois affluents amont et se jette dans un seul affluent aval. Un tronçon de rivière est défini par son numéro d affluent et par son numéro de tronçon. Le réseau introduit dans le modèle comprend le Rhône, la Saône et le canal de Miribel (figure 5). Ce réseau a été découpé en plusieurs affluents eux mêmes découpés en tronçons. Figure 5 : Réseau hydrographique dans le modèle. 20 BRGM/RP FR Rapport final

22 Les affluents et tronçons ont été numérisés et une hiérarchisation systématique du réseau a été réalisée aboutissant à 21 affluents découpés en 767 tronçons qui, selon la cote de leur fond, sont en relation avec les couches 1, 2, 3 ou 4 du modèle. Dans chaque maille du modèle traversé par un tronçon de cours d'eau, ont été introduits : - la longueur et la largeur du tronçon ; - la cote du fond (fond de l eau) ; - l'épaisseur du lit et des berges et sa perméabilité (estimation a priori pour celle-ci, qui est un paramètre de calage). Quand le tronçon n'occupe pas toute la surface de la maille, la longueur du tronçon est calculée à partir de son intersection avec les frontières de la maille qui le contient. La largeur est quant à elle calculée à partir du tracé du réseau fourni par la Compagnie Nationale du Rhône (CNR). La cote du fond de chaque tronçon a été calculée à partir des données de la bathymétrie Drains de la CNR Les drains de la CNR (figure 6) ont été introduits dans le modèle comme des drains classiques (ils ne peuvent que drainer la nappe). Comme pour les cours d'eau, ils ont été hiérarchisés en réseau avec une relation amont-aval. Le réseau est organisé en affluents eux-mêmes découpés en tronçons (au nombre de 140). Selon la cote de leur fond, les tronçons se trouvent soit dans la couche 4 soit dans la couche 5 du modèle. Pour le calcul des débits drainés, les données nécessaires dans chaque maille contenant un tronçon de drain sont : - longueur L d et largeur l d du tronçon de drain ; - l altitude du fond du drain z d ; - le coefficient de perméabilité d échange du drain k d Le débit de la nappe vers le drain sera calculé comme suit : Q échange = k d. L d. l d (H n Z d ) ; H n étant la charge de la nappe : La cote du fond de chaque tronçon de drain a été calculée par interpolation à partir des valeurs ponctuelles disponibles (au nombre de 55). Un calcul de la longueur du tronçon de drain dans chaque maille a été réalisé à l'aide du logiciel MAPINFO. On ne dispose pas de données sur le coefficient de colmatage des drains. Celui-ci sera donc un paramètre de calage. BRGM/RP FR Rapport final 21

23 2.4. OUVRAGES SOUTERRAINS Sous-sols de bâtiments et parkings De nombreux sous-sols de bâtiments et de parkings souterrains traversent la nappe alluviale. Leur ancrage, pour les plus profonds, peut atteindre la molasse Miocène. La localisation (X, Y) des nombreux sous-sols a été facilitée par l utilisation des bases de données du Grand Lyon. Au total, 621 ouvrages avec sous-sols de plusieurs niveaux ont été répertoriés lors de la première phase. Les parkings de moins de 3 niveaux, dispersés et peu profonds, ne constituent pas des obstacles significatifs et seuls les ouvrages de 3 niveaux et plus, au nombre de 61, ont été retenus a priori. Leur localisation est précisée par la figure Lignes de métro L'agglomération lyonnaise comporte quatre lignes de métro. Seules les lignes A, B et D sont à prendre en compte (figure 6). La ligne C, circulant dans les pentes de la Croix Rousse, n'atteint pas le toit de la nappe. L emprise en surface de ces lignes, était déjà disponible. Les données mises à disposition par le SYTRAL, sous forme de plans, ont permis de compléter celles fournies par les services du Grand Lyon. 22 BRGM/RP FR Rapport final

24 Figure 6 : Localisation des drains de la CNR, des ouvrages souterrains et des lignes de métro BRGM/RP FR Rapport final 23

25 Les données suivantes ont été extraites des plans et intégrées dans le SIG sous Mapinfo : - - coordonnées X, Y, Z de l'axe en plusieurs points tout le long du tracé, - - la hauteur de l'ouvrage souterrain Réseaux de distribution d'eau Eau potable Après vérification auprès de la Compagnie Générale des Eaux, les conduites d adduction en eau potable n'ont pas un diamètre suffisamment grand pour être considérées comme des barrières hydrauliques. Elles n'ont donc pas été prises en compte dans le modèle. Réseaux d assainissement Le tracé des conduites et leurs caractéristiques ont été fournis par le Grand Lyon. Dans le modèle n'ont été introduits que les collecteurs dont le diamètre dépasse 4 m. Tunnels et trémies routières Certaines voies de circulation routière (ou ferroviaire) peuvent être encaissées et se trouver, de par leur profondeur, sous le niveau piézométrique. Elles peuvent donc également représenter un obstacle à l écoulement souterrain. De l'examen des données il ressort que seules les trémies situées sur le secteur de la Part Dieu et implantées dans les alluvions modernes et/ou fluvioglaciaires peuvent représenter un obstacle à l'écoulement. Il s'agit des ouvrages suivants : - - trémie des Brotteaux, - trémie de la Part Dieu, - tunnel de Garibaldi Introduction des ouvrages souterrains Les données obtenues ont été utilisées par le programme de calcul de construction du maillage (mentionné ci-dessus, ) pour repérer automatiquement les mailles dans lesquelles les ouvrages souterrains devaient être représentés, soit sous forme de mailles "imperméabilisées " (ouvrages polygonaux), soit sous forme de "cloisons étanches" (ouvrages linéaires, trémies). Les résultats sont présentés dans le rapport de phase 2. Sur les 61 ouvrages souterrains retenus, seuls 31 d'entre eux, occupant plus du tiers d'une maille ont été considérés. La maille occupée est alors affectée d'une perméabilité nulle. 24 BRGM/RP FR Rapport final

26 Les ouvrages souterrains et les tronçons des lignes de métro ayant une cote de leur base supérieure à 175 m NGF n ont pas été intégrés dans le modèle (cette cote correspond à une cote maximale vers la limite Est et ne sera sans doute pas dépassée dans les zones où les ouvrages sont implantés). BRGM/RP FR Rapport final 25

27 Figure 7 : Trace des ouvrages souterrains dans la couche 3 du modèle. 26 BRGM/RP FR Rapport final

28 2.5. DONNÉES UTILISÉES POUR LE RÉGIME PERMANENT Champ de perméabilités Pour introduire une perméabilité dans chaque maille du modèle, les valeurs du tableau 2 ci-dessous ont été utilisées. Elles sont a priori globalement représentatives de chaque unité lithologique identifiée dans le modèle géologique (les perméabilités de la molasse ont été réajustées localement lors du calage en régime permanent en raison de l'hétérogénéité de cette formation). Formation Caractéristiques Perméabilité (m/s) Formations actuelles Remblais, limons, Alluvions modernes Alluvions fluvio-glaciaires Formations morainiques à dominante argilo-limoneuse 10-3 à dominante sablo-graveleuse Argileuses graveleuses argileuses 10-4 caillouteuses Molasse (hétérogène) Tableau 2 : Valeurs de perméabilités utilisées pour calculer une perméabilité équivalente dans chaque maille du modèle Une maille comprise entre 2 plans de coupes peut contenir plus d'une formation. Le repérage automatique de ces formations permet aussi de calculer leur épaisseur dans la maille. La perméabilité équivalente dans la maille est alors une moyenne arithmétique des perméabilités K i affectée à chaque formation F i pondérée par les épaisseurs E i ; par exemple, pour 3 formations : K eq = (K 1 E 1 + K 2 E 2 + K 3 E 3 )/E E = E 1 + E 2 + E 3 = 5 m Estimation de la recharge par les eaux pluviales Les pluies efficaces ont été calculées sur la période à partir des données décadaires de pluviométrie et d ETP enregistrées à la station de Bron en prenant une réserve utile de 100 mm. La pluie efficace sur la période octobre 2003 octobre 2004 BRGM/RP FR Rapport final 27

29 a été extraite et une moyenne mensuelle a été calculée sur cette période (figure 8). La pluie efficace moyenne sur cette période est de 264 mm/an soit 22 mm/mois. En raison de l imperméabilisation quasi-totale des zones urbanisées, seuls les parcs et jardins situés dans la zone d étude constituent des zones de recharge de la nappe. Ces zones représentant une superficie de 7.8 km 2 (11 % de la surface totale du modèle) ont été digitalisées sous Mapinfo et ensuite introduites dans le modèle (cf figure 9). Une recharge de 22 mm/mois a été appliquée sur ces zones Pluie décadaire (mm) Pluie efficace décadaire (mm) /12/ /04/ /08/ /12/ /04/ /08/ /12/ /04/ /08/ /12/ /04/ /08/ /12/ /04/ /08/ /12/2005 Figure 8 : Pluies efficaces calculées à partir des données de la station météo de Bron Prélèvements En 2002, 106 captages ont été recensés dans la zone d'étude (figure 10), prélevant un volume total d'environ 174,5 millions de m 3. Les prélèvements en eau souterraine sont destinés essentiellement à l AEP (62%), à l industrie et aux pompes à chaleur (38%). Les prélèvements pour l irrigation sont très faibles 0.3%. Les pompages AEP du champ captant de Crépieux Charmy (114 forages répartis sur 370 ha et fonctionnant en alternance) représentent à eux seuls plus de 98 % des prélèvements AEP annuels (en 2002, 106 Millions de m 3 ). Remarques 1) 8 pompages d exhaure de parkings souterrains prélevant dans la molasse et réinjectant dans les alluvions ont été comptabilisés. Ces réalimentations de la nappe alluviale représentent environ 12 millions de m 3 par an. 28 BRGM/RP FR Rapport final

30 Figure 9 : Zones de recharge par infiltration. BRGM/RP FR Rapport final 29

31 Figure 10 : Localisation des points de prélèvements recensés en BRGM/RP FR Rapport final

32 2) Les prélèvements pour pompes à chaleur sont réinjectés dans la nappe des alluvions. 3) L inventaire des prélèvements s est fait à partir du fichier des redevances de l'agence de l'eau Rhône Méditerranée et Corse. Des données issues de la DDAF du Rhône, d études BURGEAP et du Grand Lyon sont venues compléter le fichier initial. Malgré les recoupements effectués, ce recensement présente des lacunes ou des imprécisions pouvant être dues à des ouvrages non déclarés, des localisations erronées ou approximatives ou encore des débits non actualisés. Ces imprécisions n empêchent pas cependant que le bilan général reste représentatif Débits de fuite dans les réseaux de distribution d eau et d assainissement Les pertes du réseau de distribution d eau dans la zone d étude ont été estimées sur la base des prélèvements AEP dans le champ captant de Crépieux Charmy. Pour le calcul du volume d eau perdu, ont été faites les hypothèses suivantes : - 1/3 du volume d eau capté dans le champ captant de Crépieux Charmy est distribué dans l agglomération lyonnaise, - Les pertes représentent 10% du volume distribué, - Comme le réseau de distribution d eau couvre la totalité de l agglomération, les pertes ont été réparties sur l ensemble de la zone d étude. Le volume d'eau prélevé annuellement dans le champ captant de Crépieux-Charmy est de 105 millions de m 3 /an. Dans la zone d étude, les pertes représentent donc un volume de : (105 * 0.1)/3 soit 3.3 millions de m 3 /an. En terme de lame d eau, pour une superficie de la zone modélisée de 44.2 km 2, cela représente environ 75 mm/an. Ces pertes ont été introduites dans le modèle sous forme de lame d eau et réparties sur l ensemble de la zone d étude. Les pertes d eau dans le réseau d assainissement ont été estimées à partir des données fournies par le Grand Lyon sur les débits d arrivée à la station d épuration de saint Fons sur l année 2004 (cf rapports de l'année 1 et de l'année 2). Le débit moyen produit par les collecteurs principal et latéral pour l année 2004 est de m 3 /j. Nous avons fait l hypothèse de travail que 10 % de ce débit est perdu soit un débit de m 3 /j. Ce débit de fuite a été imposé au niveau des mailles traversées par les collecteurs ayant un diamètre supérieur à 2 m. Cela représente 284 mailles réparties sur 4 couches du modèle en fonction de la cote moyenne du collecteur. Or, nous savons d ores et déjà que, localement, la ligne d eau des collecteurs d assainissement, peut se trouver sous le niveau piézométrique. BRGM/RP FR Rapport final 31

33 Dans ce cas, les collecteurs feraient office de drains et seraient alimentés par la nappe. Ils produiraient, de fait, des eaux parasites en aval et notamment à la station d épuration de Saint-Fons Ligne d'eau du Rhône et de la Saône Pour reconstituer la ligne d eau du Rhône et de la Saône, différentes données ont été utilisées : - d'une part, les mesures faites en 2004 au pont Morand (Rhône) et au pont de la Feuillée(Saône), - et d'autre part, comme cela était insuffisant, à partir des mesures faites aux stations du pont de Cusset aval, du pont de Croix-Luizet et du pont Raymond Poincaré en 1987 et 1989 (Rapport BRGM R31479 RHA 4S 90). Cela se justifie du fait que les mesures d'octobre 1987 au pont Morand et au pont de la Feuillée sont identiques aux mesures effectuées en Rhône Saône Station Cusset Croix-Luizet Poincaré Morand * Feuillée * Cote de l'eau (Oct. 87) * Mesures en Oct. 87 et en 2004 D amont en aval du modèle, la cote de l'eau décroît : - de 168 m à m NGF pour le Rhône (avant le barrage), m à 162 m NGF pour la Saône. Enfin, il est aussi tenu compte des aménagements du Rhône qui créent des seuils significatifs (barrage de Pierre Bénite et usine écluse). En amont de ces retenues, la cote de l'eau du Rhône est maintenue à mètres NGF. En aval de l écluse, la cote de l eau est maintenue à m (valeurs fournies par la CNR). L épaisseur du lit du Rhône et de la Saône n étant pas connue, elle a été fixée uniformément à la valeur de 70 cm pour tous les tronçons. Par ailleurs d après les études et modèles précédemment établies, le degré de colmatage des canaux et des rivières de l'ile de Miribel Jonage en amont de Lyon est relativement bien connu (BURGEAP 2005) avec des perméabilités : - assez fortes pour le canal de Miribel (de l'ordre de 10-5 m/s) ; - plus faibles pour le Vieux Rhône (de l'ordre de m/s) ; - assez faibles pour le canal de Jonage (de l'ordre de m/s à m/s). Dans le modèle, les valeurs suivantes ont été introduites : une perméabilité de 10-5 m/s pour le canal de Miribel, le Rhône et la Saône et une perméabilité du lit du canal de Jonage de m/s. Ce paramètre a fait l'objet d'un ajustement lors du calage. 32 BRGM/RP FR Rapport final

34 Le débit amont du Rhône appliqué dans le modèle est de 599 m 3 /s (ce débit correspond au débit moyen interannuel du Rhône à Lyon -St Clair), le débit appliqué au modèle en amont de la Saône est de 405 m 3 /s RÉSULTATS DU CALAGE EN RÉGIME PERMANENT Piézométrie utilisée pour le calage et paramètres ajustés. Pour le calage en régime permanent du modèle, ont été utilisées : - les mesures de niveaux effectuées en 2004 aux mois de mai et de novembre sur 73 piézomètres. Les niveaux utilisés pour le calage sont une moyenne des valeurs relevées en mai et novembre. - les débits moyens à l exutoire des drains de la CNR en rive gauche et rive droite pour l année 2004 ; ces débits sont utilisés comme données de contrôle pour s assurer de la fiabilité des résultats du modèle. Dans cette phase de calage en régime permanent on s est attaché à restituer aux mieux : - les niveaux moyens de l'année 2004 en vérifiant que les cartes calculées restituaient bien les configurations d'écoulement que le contexte hydrogéologique laissait supposer ; - les débits moyens mesurés à l exutoire des drains. Les paramètres qui ont fait l'objet d'un ajustement sont la perméabilité (en particulier celle de la molasse, formation très hétérogène) et les coefficients de colmatage du lit des 2 fleuves et des drains Diagramme de dispersion La qualité du calage a été évaluée par l'intermédiaire d'un diagramme (appelé diagramme de dispersion) représentant les niveaux calculés en fonction des niveaux observés. Il a été établi avec les 75 points de mesures (figure 11). Les écarts entre valeurs observées et valeurs mesurées sont indiqués dans le tableau ci-dessous : Ecart entre niveaux calculés et niveaux mesurés Nombre de points de mesures concernés par cet écart (sur un total de 73 ) e <0.5 m 41 (56%) 0.5 < e <1 m 16 (22%) 1< e < 1.5 m 12 (16.5%) 1.5 <e < 3 m 3 (4 %) E > 3 m 1 Tableau 3 : Ecarts de calage en régime permanent BRGM/RP FR Rapport final 33

35 Hormis pour le point où l'on note un écart important (5m), correspondant vraisemblablement à une anomalie (peut être colmatage du piézomètre), la plupart des écarts sont faibles, 78 % sont inférieurs à 1 m et 95 % sont inférieurs à 1.5 m. Les écarts compris entre 1.5 et 3 m (3 points situés sous la diagonale du diagramme de dispersion) peuvent s'expliquer par des rejets dans la nappe non pris en compte dans le modèle, ou bien à un colmatage des piézomètres concernés fournissant des valeurs non représentatives des niveaux réels de la nappe, ou bien encore à une valeur erronée sur la cote du repère de mesures Niveau calculé (m) CNR(P476) Elco-Brandt Mills Rue Branly Lycée Lacassagne Niveau mesuré (m) Figure 11 : Diagramme de dispersion du régime permanent (sur 75 points) Les statistiques globales calculées sur 75 points (tableau 4) confirment la bonne qualité du calage (en particulier moyenne des écarts proche de 0, donc, globalement, ni surestimation ni sous estimation et écart-type des écarts de 66 cm) ; Le débit à l exutoire des drains CNR calculé par le modèle est de 1658 l/s. Ce débit est très proche du débit moyen mesuré à l exutoire des drains pour l année 2004 qui est de 1641 l/s (composé d un débit moyen de 509 l/s pour le drain rive droite et de 1132 l/s 34 BRGM/RP FR Rapport final

36 pour le drain rive gauche). Le débit calculé par le modèle à l exutoire du Rhône est de 998 m3/s. Moyenne des valeurs observées (m) Moyenne des valeurs calculées (m) Ecart-type des valeurs observées (m) 2.99 Ecart-type des valeurs calculées (m) 2.92 Moyenne des écarts (m) Ecart type des écarts (m) 0.66 Tableau 4 : Statistiques calculées sur 72 points (3 points avec écart > 3 écart-type exclus de l'analyse) BRGM/RP FR Rapport final 35

37

38 3. Calage du modèle en régime transitoire La modélisation en régime transitoire a été réalisée au pas de temps mensuel de janvier 2000 à décembre Le calage a été effectué sur la période à partir des chroniques piézométriques disponibles sur cette période (sur les piézomètres utilisés, au nombre de 30, il n'y avait pas de mesures disponibles postérieures à cette date). Le nouveau réseau piézométrique, comprenant 29 piézomètres, a été mis en service début octobre 2006 : les données journalières fournies ont été utilisées uniquement sur les 3 derniers mois de 2006 (les données de l'année 2007 seront utilisées pour la phase 4 du projet) et ont surtout permis de valider le calage sur Le modèle fonctionne néanmoins de façon continue de janvier 2000 à décembre 2006, soit 84 pas de temps mensuels DONNÉES VARIABLES DANS LE TEMPS UTILISÉES Niveaux du Rhône et de la Saône Les cotes de la ligne d'eau ont été introduites pas de temps par pas de temps à partir des mesures journalières faites au Pont Morand pour le Rhône et au pont de la Feuillée pour la Saône. Les graphiques des figures 12 et 13 montrent l'évolution des niveaux en ces deux stations de 1985 à 2006 (aux courbes d'évolution journalière ont été superposées, pour comparaison, les courbes tracées à partir des moyennes mensuelles de ces valeurs journalières). Le tableau 5 rassemble quelques paramètres statistiques caractérisant ces niveaux sur la période Statistiques sur mesures journalières Statistiques sur moyennes mensuelles Rhône Saône Rhône Saône Minimum Maximum Maxi. Mini Moyenne Ecart-type Tableau 5 : Caractérisation statistique globale des niveaux du Rhône et de la Saône en m NGF Le passage aux moyennes mensuelles, utilisées pour la modélisation (puisque celle-ci est conduite au pas de temps mensuel), amortit nettement les amplitudes. Une BRGM/RP FR Rapport final 37

39 modélisation au pas journalier sera donc nécessaire pour estimer plus précisément l'impact sur la nappe d'une crue du Rhône et de la Saône. Les données en cours d acquisition permettront de réaliser ce travail. Figure 12 : Niveaux du Rhône au pont Morand de 1985 à 2006 Figure 13 : Niveaux de la Saône au pont de la Feuillée de 1985 à BRGM/RP FR Rapport final

40 Les graphiques des figures 14 et 15 permettent de comparer les niveaux moyens mensuels du Rhône et de la Saône sur la période 1985 à 2006 avec un zoom sur la période Figure 14 : Comparaison des niveaux moyens mensuels du Rhône et de la Saône de 1985 à Figure 15 : Comparaison des niveaux moyens mensuels du Rhône et de la Saône de 2000 à BRGM/RP FR Rapport final 39

41 Construction des fichiers de ligne d'eau au pas de temps mensuel de 2000 à 2006 A partir des cotes de la ligne d'eau du Rhône et de la Saône, introduites dans le modèle pour le calage en régime permanent, ont été calculées dans chaque maille traversée par ces cours d'eau les hauteurs d'eau relatives H rel (i) par rapport à la cote de l'eau au pont Morand (pour le Rhône) et au pont de la Feuillée (pour la Saône). Il s'agit donc d'un différentiel de niveau, positif à l'amont de la station considérée, négatif à l'aval. Pour obtenir les cotes NGF H LE (k,i) de la ligne d'eau à chaque pas de temps k et dans chaque tronçon i, il suffit alors d'ajouter la hauteur d'eau relative H rel (i) à la moyenne mensuelle des mesures H station (k) sur ce pas de temps k : H LE (k,i) = H station (k) + H rel (i) Un programme de calcul a été écrit pour réaliser automatiquement toutes ces opérations ayant conduit à la constitution de 588 fichiers de valeurs mensuelles correspondant à 84 pas de temps 7 subdivisions du réseau (le Rhône de l'écluse aval aux canaux amont, le canal de Miribel, le canal de Jonage, le Vieux Rhône, la Saône, plus les 2 bras du Rhône à l'aval de l'écluse) Recharge par les pluies Comme déjà signalé pour le régime permanent, en raison de l imperméabilisation quasi-totale des zones urbanisées, seuls les parcs et jardins situés dans la zone d étude constituent des zones de recharge de la nappe (11 % de la surface totale du modèle). Les pluies efficaces ont été calculées sur la période d'octobre 1999 à décembre 2006 à partir des données décadaires de pluviométrie et d ETP enregistrées à la station de Bron et en prenant une valeur de réserve en eau des sols de 100 mm (figure 16). Le modèle fonctionnant au pas de temps mensuel, la pluie efficace mensuelle a été obtenue par cumul des valeurs décadaires du mois (figure 17). A titre indicatif, le tableau ci-dessous présente les valeurs annuelles de pluie, d'etp et de pluie efficace sur la période Pluie (mm) ETP (mm) Pluie efficace (mm) Tableau 6 : Pluie efficace annuelle de 2000 à BRGM/RP FR Rapport final

42 Figure 16 : Pluie et pluie efficace au pas décadaire (Octobre 1999 à Décembre 2006) Figure 17 : Pluie efficace mensuelle (cumul sur décades) d'octobre 1999 à Décembre 2006 BRGM/RP FR Rapport final 41

43 Prélèvements dans la nappe L'inventaire des prélèvements le plus complet concerne l'année Il a été constitué lors de la phase 2 de l'étude à partir du fichier des redevances de l'agence de l'eau Rhône Méditerranée et Corse, des données fournies par la DDAF du Rhône, de la consultation d'études du BURGEAP et du Grand Lyon (cf. rapport de la phase 2 de l'étude). Malgré les recoupements effectués, ce recensement présente des lacunes ou des imprécisions pouvant être dues à des ouvrages non déclarés, des localisations erronées ou approximatives ou encore des prélèvements non actualisés. Pour les années 2000, 2001, 2003, 2004, 2005 on ne dispose que des données venant de l'agence de l'eau RMC ; elles ne représentent qu'une partie des prélèvements effectués et, comme pour l'année 2002, il y a des imprécisions (localisation et volumes). De plus, d'une année à l'autre, les dénominations changent (par exemple, le type d'usage) ou bien certains prélèvements apparaissent une année mais pas la suivante, ce qui rend difficile la comptabilité et le suivi. Le tableau 7 suivant dresse une comptabilité globale faisant apparaître ces variations d'une année à l'autre. Industrie et pompes à chaleur Autres (usage non précisé) (53) (49)? (1) (12) (1) (1) (1) Irrigation (63) (44) (50) (55) Drainage parkings Champ captant de Crepieux- Charmy TOTAL Les chiffres entre ( ) correspondent au nombre de sites de prélèvements Tableau 7 : Prélèvements annuels (en m 3 ) sur la période 2000 à 2005 Remarques : 1) Pour l'année 2006, aucun inventaire n'existant, les prélèvements de l'année 2005 ont été reconduits. 2) Le recensement des prélèvements variant d'une année à l'autre, les points de prélèvements ayant été recensés pour l'année année i-1 et ayant "disparus" l'année i suivante sont reconduits avec les valeurs de l'année i BRGM/RP FR Rapport final

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