Régime thermique des nappes phréatiques à l aplomb de bassins d infiltration

Transcription

1 Régime thermique des nappes phréatiques à l aplomb de bassins d infiltration Arnaud Foulquier, Florian Malard, Janine Gibert UMR CNRS 5023, Écologie des Hydrosystèmes Fluviaux Université Lyon 1, Bât. Forel 43, boulevard du 11 novembre 1918, Villeurbanne Cedex, France foulquier@univ-lyon1.fr - malard@univ-lyon1.fr - janine.gibert@univ-lyon1.fr I. INTRODUCTION Un réchauffement des eaux souterraines est observé sous de nombreuses grandes agglomérations urbaines (1). Cette augmentation de la température des eaux souterraines sous les villes peut atteindre 3 C si l on utilise comme valeur de référence la température des nappes situées dans les zones périphériques moins urbanisées. Il s agit d un processus complexe, hétérogène dans l espace et dans le temps, qui résulte de différentes composantes. Le phénomène d îlot de chaleur urbain (2) responsable d une augmentation de la température de l air à l intérieur des villes est une de ces composantes à laquelle viennent s ajouter les nombreuses sources de chaleur locales présentes dans les zones urbaines (pertes de chaleurs par les habitations, pompes à chaleurs). Les pratiques d infiltration d eaux de ruissellement pluvial permettent de compenser la recharge des eaux souterraines, réduite en milieu urbain en raison de l augmentation des surfaces imperméabilisées. Ces pratiques s appuient sur les capacités, en termes de rétention des polluants, du sol et de la zone non saturée et consistent à infiltrer localement et rapidement d importantes quantités d eaux pluviales. L infiltration artificielle des eaux de ruissellement pluvial peut contribuer au réchauffement des eaux souterraines en augmentant localement les transferts de chaleur par advection vers la nappe. Au niveau de l agglomération urbaine de Lyon, les transferts de chaleur liés à l infiltration des eaux de ruissellement sont d autant plus importants à étudier que l infiltration artificielle contribue fortement à la recharge des nappes (3). Les recherches menées dans le cadre de l Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU, (4)) s appuient sur un réseau de mesures réalisées en continu aussi bien à l échelle du bassin-versant qu en entrée de bassins d infiltration mais également au niveau des eaux souterraines. Les travaux visent à définir l influence locale de plusieurs bassins d infiltration de l agglomération lyonnaise sur le régime thermique des eaux souterraines tout en précisant les paramètres clés déterminant les transferts de chaleur. Session 3 - Usages thermiques 179

2 II. MATÉRIEL ET MÉTHODES Quinze sites répartis sur l ensemble de l agglomération lyonnaise ont été sélectionnés (Fig. 1). Figure 1 - Répartition des sites étudiés au sein de l agglomération lyonnaise Neuf sites correspondent à des zones de recharge situées à l aplomb de bassins d infiltration d eau pluviale et 6 sites de référence correspondent à des secteurs de la nappe non soumis à l infiltration artificielle d eau de ruissellement pluvial. Les surfaces de bassins versants et l épaisseur de la zone non saturée associées aux sites de recharge varient respectivement entre 2,5 et 210 ha et 5 et 20 m. Tous les sites sont équipés d un piézomètre crépiné au niveau du premier mètre sous la surface libre de la nappe. Le site de recharge 1 présente la particularité d être équipé d une flûte de pan à 5 piézomètres permettant d effectuer des mesures à des profondeurs de 1, 2, 3, 4 et 5 m sous la surface libre de la nappe. Des enregistrements de la température et de la conductivité des eaux souterraines ont été effectués dans chaque piézomètre, pour chacun des sites, au pas de temps horaire en utilisant une sonde multiparamétrique YSI 600 XLM. La durée des chroniques ainsi obtenues atteint 3 années pour certains sites. Session 3 - Usages thermiques 180

3 III. RÉSULTATS Les variations de température des eaux souterraines sont nettement plus importantes sous les bassins d infiltration que sous les sites de référence que l on se place à l échelle de l événement pluvieux ou à une échelle annuelle (Fig. 2). Figure 2 - Variation de la conductivité et de la température des eaux souterraines sur le site de recharge 1 et des précipitations sur le bassin-versant associé. Les données correspondantes pour le site de référence (réf.) sont également représentées. Les cinq profondeurs sous la surface libre de la nappe (1 à 5 m) sont représentées à l aide d un dégradé du noir au gris, les teintes claires correspondant aux horizons profonds. III.1 Échelle de l événement pluvieux Sous les sites de recharge, les variations de température sont directement liées à l infiltration d eau de ruissellement pluvial ; elles peuvent atteindre 4 C à l échelle d un événement pluvieux (Figure 2). À l échelle événementielle, la variation de température observée à l aplomb des bassins d infiltration est fonction de l interaction entre le volume infiltré et l écart de température entre les eaux de ruissellement pluvial et les eaux souterraines. III.2 Échelle annuelle Session 3 - Usages thermiques 181

4 Les effets de l infiltration artificielle s observent également au niveau de l amplitude annuelle de la température des eaux souterraines. À l aplomb des bassins d infiltration, l amplitude thermique annuelle est en moyenne 9 fois supérieure à celle des sites de référence. L amplitude de la température des eaux souterraines sous les sites de recharge augmente de façon logarithmique avec la taille du bassin-versant associé au bassin d infiltration. Sous les sites de référence, l amplitude diminue avec l épaisseur de la zone non saturée. III.3 Variabilité interannuelle de la température des eaux souterraines La variabilité interannuelle de la température moyenne des eaux souterraines sous les sites de recharge dépend de la distribution saisonnière des précipitations. La température moyenne des eaux souterraines dans les deux premiers mètres sous la surface libre de la nappe augmente lorsque les précipitations interviennent majoritairement lors de la saison chaude (Fig. 3). Figure 3 - Relation entre le régime saisonnier des précipitations et la température de la nappe à l aplomb du site de recharge 1. Le panneau du haut correspond à la composante saisonnière de la température des eaux souterraines. Le panneau du milieu correspond au cumul des précipitations pour les saisons chaudes (noir) et froides (gris). Le panneau du bas correspond à la moyenne annuelle mobile de la température de la nappe. Les cinq profondeurs sous la surface libre de la nappe (1 à 5 m) sont représentées à l aide d un dégradé de noir vers le gris, les teintes claires correspondant aux horizons profonds. Session 3 - Usages thermiques 182

5 IV. DISCUSSION Les pratiques d infiltration artificielle d eau de ruissellement pluvial entraînent de fortes variations de la température des eaux souterraines quelle que soit l échelle temporelle considérée. Il est toutefois possible de réduire l amplitude de ces variations en réduisant la surface du bassin-versant associé au bassin d infiltration. L effet de l infiltration artificielle sur la température moyenne des eaux souterraines dépend du type de climat considéré. Cet effet sera celui d un réchauffement local pour les régions présentant des précipitations plus importantes lors de la saison chaude et un refroidissement lorsque les précipitations ont lieu principalement lors de la saison froide. À Lyon, l infiltration artificielle d eau de ruissellement pluvial augmente donc localement la température moyenne des eaux souterraines car les précipitations sont plus importantes lors de la saison chaude. Ce réchauffement local reste faible (< 0,5 C) et bien inférieur à celui engendré par les pompes à chaleur. À une échelle annuelle, le site de recharge 1, associé à un bassin-versant de 180 ha, réinfiltre des eaux de ruissellement pluvial arrivant avec un débit moyen avoisinant les 60 m 3 /h et une température moyenne de 14,4 C (moyenne pondérée par les débits). Pour comparaison, il existerait dans des zones densément peuplées de l agglomération lyonnaise, pas moins d une pompe à chaleur tous les 80 ha, avec un débit de 50 m 3 /h et une température de rejet supérieure à 20 C (5). Les recherches se poursuivent en s appuyant sur les données recueillies sur le site de recharge 1 afin d établir un modèle des écoulements d eau de ruissellement pluvial et des transferts de chaleurs, à l aplomb, mais également à l aval des bassins d infiltration. Références bibliographiques (1) Taniguchi M., 2006 Anthropogenic effects on subsurface temperature in Bangkok, Climate of the Past Discussions, 2: (2) Bornstein, R.D., 1968 Observation of the urban heat island effect in New York city. Journal of Applied Meteorology, 7 (4): (3) Datry T., 2003 Urbanisation et qualité des nappes phréatiques: réponses des écosystèmes aquatiques souterrains aux pratiques d infiltration d eau pluviale. Thèse de Doctorat, Université Lyon 1, Lyon, France, 216 p. (4) Barraud S., Gibert J., Winiarski T., Bertrand Krajewski J.L., 2002 Implementation of a monitoring system to measure impact of stormwater runoff infiltration. Water Science & Technology, 45 (3), p (5) Horizons, Synthèse hydrogéologique et thermique des forages pompes à chaleur. Lyon - Villeurbanne (69). Rapport d étude DH160, Horizons, Villefontaine, France, 32 p. + annexes. Session 3 - Usages thermiques 183

6 Session 3 - Usages thermiques 184