Frédéric Paran, Roland Déchomets, Didier Graillot

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1 Identification et quantification des échanges nappes/rivière par analyse spatiale Contexte de données fragmentées et hétérogènes Application au fleuve Rhône zones alluviales Action derecherche ZABR/AE RMC RMC n 1 ( ) 2012) Volet hydrophysique, phase 2 ( ) Frédéric Paran, Roland Déchomets, Didier Graillot École Nationale Supérieunt Etienne Centre SITE Jeudi 2 octobre 20 SIG 20 - phone ESRI Versailles 1 1

2 Objectifs, finalités scientifiques et opérationnelles de l action «échanges nappes/rhône» Pour une gestion coordonnée de la ressource en eau souterraine et superficielle : Un projet en lien avec le Plan Rhône et la DCE eau Identifier et quantifier les échanges hydrauliques existant : entre le Rhône, les nappes alluviales, l ses annexes fluviales, l les contre canaux entre les nappes alluviales et les autres aquifères en connexion Développer les méthodologies, les outils pour : évaluer les contribution des nappes au débit du Rhône (origine) identifier les nappes sous influence du fleuve (vulnérabilités) identifier les milieux superficiels sous dépendance des nappes Du Lac Léman à la Camargue, sur un fleuve anthropisé : préserver un patrimoine souterrain et invisible (ressource, biodiversité) préserver les enjeux AEP et alimentation des milieux aquatiques prévenirles conflitsd usage restaurer les milieux aquatiques 2

3 Nombreuses données, mais : éparses, lacunaires, parfois anciennes empreintes d incertitudes, asynchrones de sources variées Difficultés liées à la taille du terrain d étude : le fleuve Rhône du Léman à la Camargue fragmentées et hétérogènes Il faut donc mettre en œuvre une méthode : + Nombreuses configurations hydrogéologiques : sédimentaires libres et captifs, alluviales, fluvio glaciaires, molasses miocène carbonatées (karst) formations imperméables localement aquifères socles fissurés (granites, schistes) + Nombreuses influences humaines : centrales nucléaires ; barrageshydroélectriques / réservoirs écluses canaux de dérivation, contre canaux, canaux digues, épis Girardon, seuils pompages, rejets urbanisation -simple - peu couteuse - reproductible - adaptées aux contraintes Outils SIG d analyse spatiale 3

4 Point kilométrique (PK) Contre canaux Barrages CNR Rhône vif Canal de dérivation Vieux Rhône Présentation du secteur test de Brégnier Cordon : relations nappes/rhône dans un contexte alluvial Retenue Principaux affluents Piézométrie basses eaux 02/1990 Nappes de Saint Genix sur Guiers/Leschaux/Les Rubattiers Niveau en mètres (216) Débit max turbinable : 780m 3 /s Débit réservé plancher : 65m 3 /s Hauteur de chute max : 14,3m Production annuelle : 360 millions KW/h Retenue : 12km Canal d amenée : 5km Canal de fuite : 3km Saint Genix sur Guiers Brégnier Cordon Leschaux Les Rubattiers N m 4

5 Nappes alluviales - Cartes piézométriques après-aménagement CNR - Champs de perméabilité de l aquifère (K) Niveau du sol Niveau piézométrique - Niveau du fleuve + Données hydrogéologiques nécessaires en milieu alluvial Interface - Contour des berges - Surface d échange (A) Épaisseur non-saturée Épaisseur mouillée Substratum imperméable Fleuve Rhône - Profils en long - Profils en travers -Lignes d eau Convention : Échanges nappe vers fleuve : + Échange fleuve vers nappe : Loi de Darcy Q = K. Ai. Q : débit en m 3 /s K : perméabilité en m/s A : section d écoulement en m² dh i : gradient hydraulique (i = ) dl 5

6 ETS Didier GRationale Supérieu phone ESRI Ve8 Calcul des échanges nappes alluviales/rhône par analyse spatiale sous SIG Carte piézométrique Berges du fleuve Rhône Basses eaux Basses eaux Caractérisation des échanges Indentification + Quantification 6

7 ETS Didier GRationale Supérieu phone ESRI Ve8 Calcul des échanges nappes alluviales/rhône par analyse spatiale sous SIG Carte piézométrique Digitalisation Berges du fleuve Rhône shape file Basses eaux Basses eaux Modelé 3D de la surface de la nappe To TIN Gradients (i) (pente en %) Niveaux (altitude en m) Sens d écoulement (angles en d ) Caractérisation des échanges Indentification + Quantification 7

8 ETS Didier GRationale Supérieu phone ESRI Ve8 Sens d écoulement et gradients de nappe Tin «slope» Gradients de nappe Tin «aspect» Sens d'écoulement de la nappe bleu foncé et rouge : vers le nord orange : vers le nord est bleu clair : vers le nord ouest carré vert : cône de rabattement, écoulement radial 8

9 Carte piézométrique Basses eaux Modelé 3D de la surface de la nappe Gradients (i) (pente en %) Niveaux (altitude en m) Calcul des échanges nappes alluviales/rhône par analyse spatiale sous SIG Sens d écoulement (angles en d ) To TIN Digitalisation shape file Caractérisation des échanges Indentification + Quantification Buffer Berges du fleuve Rhône Basses eaux zone tampon To TIN Sens d écoulement du fleuve (angles en d corrigé de 90 ) 9

10 Tin «elevation» Zone tampon de 100 m à partir de la rive gauche du Rhône Orientation de la "pseudo pente", perpendiculaire la rive Orientation des tronçons de rives Tin "aspect" du buffer Orientation des tronçons de rives et leurs normales rouge : normale vers N (rive EO) orange : normale vers NE (rive NO ou NNO) en violet : normale vers NO (rive SO ou SSO) 10

11 Carte piézométrique Basses eaux Modelé 3D de la surface de la nappe Gradients (i) (pente en %) Niveaux (altitude en m) Calcul des échanges nappes alluviales/rhône par analyse spatiale sous SIG Sens d écoulement (angles en d ) To TIN Digitalisation shape file Angles nappe/rhône Caractérisation des échanges Indentification + Quantification Buffer Berges du fleuve Rhône Basses eaux zone tampon To TIN Sens d écoulement du fleuve (angles en d corrigé de 90 ) 11

12 Carte piézométrique Basses eaux Modelé 3D de la surface de la nappe Gradients (i) (pente en %) Niveaux (altitude en m) Calcul des échanges nappes alluviales/rhône par analyse spatiale sous SIG Sens d écoulement (angles en d ) To TIN Digitalisation shape file Angles nappe/rhône Caractérisation des échanges Indentification + Quantification Buffer Berges du fleuve Rhône Basses eaux zone tampon To TIN Sens d écoulement du fleuve (angles en d corrigé de 90 ) Trigo 1) Identification de l échange : fleuve vers nappe + : nappe vers fleuve 2) Pondération de l échange 90 : 100% F0 : 0% 12

13 Angles d échange (AE) nappes/rhône Le sinus de l AE donne : Le sens (+ ou ) La pondération (entre 0 et 1) Exemple sur des cas simples : Pas d échange AE=0 / Sin=0 / Q=Qb*0 Intensité d échange max AE=90 / Sin=1 / Q+=Qb*1 Intensité intermédiaire AE=45 / Sin=0,7 / Q+=Qb*0 Qb 0,7 Intensité d échange max AE=270 / Sin= 1 1 / Q =Qb*( 1) 13

14 Carte piézométrique Basses eaux Modelé 3D de la surface de la nappe Gradients (i) (pente en %) Loi de Darcy Autres paramètres : A = 4m² Niveaux (altitude en m) Débits d échange brut (q) Calcul des échanges nappes alluviales/rhône par analyse spatiale sous SIG Sens d écoulement (angles en d ) To TIN Digitalisation shape file Angles nappe/rhône Caractérisation des échanges Indentification + Quantification Buffer Berges du fleuve Rhône Basses eaux zone tampon To TIN Sens d écoulement du fleuve (angles en d corrigé de 90 ) Trigo 1) Identification de l échange : fleuve vers nappe + : nappe vers fleuve < K < 8,5.10 3m/s F4.10 4m/s 2) Pondération de l échange 90 : 100% 0 : 0% 14

15 Carte piézométrique Basses eaux Modelé 3D de la surface de la nappe Gradients (i) (pente en %) Loi de Darcy Autres paramètres : A = 4m² Niveaux (altitude en m) Débits d échange brut (q) Calcul des échanges nappes alluviales/rhône par analyse spatiale sous SIG Sens d écoulement (angles en d ) To TIN x Digitalisation shape file Angles nappe/rhône Caractérisation des échanges Indentification + Quantification Buffer Berges du fleuve Rhône Basses eaux zone tampon To TIN Sens d écoulement du fleuve (angles en d corrigé de 90 ) Trigo 1) Identification de l échange : fleuve vers nappe + : nappe vers fleuve < K < 8,5.10 3m/s F4.10 4m/s 2) Pondération de l échange 90 : 100% 0 : 0% 15

16 Résultats sur un secteur alluvial de Brégnier Cordon (Rive gauche) Zones 1 et 2 Apports de la nappe au Rhône rive gauche PK 111 à 99 ~ 8400m m 3 /j m 3 /j/km m 3 /s Méthode manuelle ,012 Analyse spatiale ,02 Analyse spatiale pondérée avec ,55 hypothèses Zones 1 et 3 Le fleuve alimente la nappe sur environ 4100m à raison de : 945m 3 /j (0,011m 3 /s) 16

17 ETS Didier GRationale Supérieu phone ESRI Ve8 Analyse spatiale : Résultats sur Péage de Roussillon Zones 1 et 3 Apports moyens de la nappe au Rhône rive gauche PK 51 à 63 ~ 6200m Méthode manuelle m 3 /j m 3 /j/km m 3 /s ,017 Analyse spatiale ,013 Modèle physique BURGEAP (2 rives) Analyse spatiale il avec hypothèses ,95 17

18 Validation complémentaires des résultats UCBL UMR-CNRS 5023 LEHF - Macrophytes (végétation aquatique) + chimie Equipe ECV : G. Bornette, S. Puijalon, C. Jezequel - Invertébrés souterrains (crustacés, oligochètes ) + chimie Equipe HBES : J. Gibert, P. Marmonier, C. Piscart, L. Simon, D. Ferreira Validation hydrochimique (indicateurs chimiques) UAPV UFR SESN Département de Géologie - Chimie isotopique (Oxygène 18, Tritium) Laboratoire d hydrogéologie : Y. Travi Autres indicateurs - Géomorphologiques y g F-Paysagers - Validation hydrobiologique (indicateurs biologiques) 18

19 ETS Didier GRationale Supérieu phone ESRI Ve8 Perspectives et transposablité pour d autres aquifères alluviaux Affiner la génération des TIN Généraliser é quelque soit les orientations i (berges, nappes) Automatiser grâce aux modèles graphiques 19

20 Bilan Limites de la méthode méconnaissance des impactsanthropiques anthropiques incertitudes sur les données de départ Avantages de la méthode minimise l effet utilisateur automatisation et systématisation possibles reproductible sur d autres secteurs souplesse d utilisation représentation ti assez proche de la réalité de terrain travail à différentes échelles / agrégation des résultats Il reste maintenant à développer des méthodes pour les autres Ftypes d aquifères : cristallins, carbonatés 20

21 ETS Didier GRationale Supérieu phone ESRI Ve8 Merci de votre attention 21

22 ETS Didier GRationale Supérieu phone ESRI Ve8 Bonus 22

23 Données hydrauliques Modèles Echantillonnage faunistique Echantillonnage floristique Echantillonnage géochimique Méthodologie de caractérisation des échanges 1 Diagnostic hd hydraulique 2 Identification des échanges nappes/rhône (sens) Invertébrés souterrains Macrophytes Isotopes, Ions Cohérence 1 et 2 Oui Quantification des échanges nappes/rhône en (m 3 /jour) Distribution spatiale Non Méthodes physiques Méthodes biologiques Méthodes éh géochimiques i 23

24 ETS Didier GRationale Supérieu phone ESRI Ve8 Superposition p des métriques : Carte de synthèse 24