Compréhension expérimentale et numérique des chemins de l'eau sur l'ensemble du champ captant de la Métropole de Lyon

Experimental and numerical understanding of water paths on the well field of Lyon agglomeration

• Auteur / Autrice : Aurore Réfloch
• Direction : Laurent Oxarango, Jean-Paul Gaudet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 31/05/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Christian Geindreau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Perrochet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Bour, Hervé Jourde

Mots clés

Mots clés contrôlés

Infiltration

Hydrologie urbaine

Mots clés libres

Hydrogéologie

Réalimentation artificielle

Essais d'infiltration

Traçages thermiques

Modélisation hydro-Thermique 3D

Hydrogeology

Artificial recharge

Infiltrometer tests

Heat tracing

3D hydro-Thermal modeling

Résumé

L’alimentation en eau potable des 1 300 000 habitants de la Métropole de Lyon provient essentiellement de réserves souterraines, puisées sur le site du champ captant de Crépieux-Charmy. Ce captage est un système complexe de par sa superficie (375 ha), le nombre d’ouvrages de pompage (111 puits et forages), le système de réalimentation artificielle (12 bassins d’infiltration), la présence de différents bras du Rhône en interaction avec l’eau souterraine, mais également du fait de la complexité lithologique naturelle du sous-sol. La compréhension des interactions entre les compartiments de ce système est nécessaire pour assurer la pérennisation quantitative et qualitative de la ressource.La caractérisation des écoulements repose sur trois outils essentiels : l’observation, l’expérimentation et la modélisation numérique.L’observation, basée sur les nombreuses données acquises in-situ, met en évidence le rôle prépondérant de l’exploitation hydrique du site sur les écoulements (pompages et bassins). La réalimentation artificielle met en jeu, annuellement, un volume d’eau qui équivaut à la moitié du volume puisé sur l’ensemble du site, et entraîne un réchauffement non négligeable de la nappe en période estivale. Les cartes piézométriques et thermiques à l’échelle du champ captant permettent de visualiser les évolutions spatiales et temporelles des écoulements. D’après l’analyse de données, le dôme hydraulique créé par la réalimentation artificielle (et destiné à obtenir une barrière hydraulique de protection contre une contamination accidentelle des eaux de surface) semble perdurer au maximum 1 à 2 jours après l’arrêt de l’alimentation des bassins. Un indice d’infiltrabilité est défini pour déterminer la capacité d’infiltration de chaque bassin : tenant compte des diverses variables affectant la vitesse d’infiltration, une diminution temporelle de l’indice d’infiltrabilité reflète le colmatage progressif de la couche de sable de fond de bassin. Cet indice est de ce fait un outil d’aide à la décision pour la priorisation des bassins à réhabiliter.Le volet expérimental se décline en deux points : la caractérisation des fonds de bassins par essais d’infiltration (gain d’infiltrabilité par renouvellement du sable, couche compactée sous le sable caractérisée par une forte anisotropie de sa conductivité hydraulique) et la caractérisation des sens d’écoulement par traçage thermique à l’échelle d’un bassin. Un dispositif expérimental, créé de part et d’autre d’un des bassins permet de suivre l’évolution piézométrique et thermique lors des cycles de remplissage. La création des 31 ouvrages de ce dispositif expérimental a permis de mieux caractériser la lithologie en présence, de valider la présence de la zone non saturée règlementaire au droit du bassin, de confirmer l’existence d’écoulements sous le Vieux-Rhône mais aussi de mettre en évidence le fonctionnement 3D des écoulements.Enfin, un modèle numérique a été créé pour simuler les transferts d’eau et de chaleur, sur l’ensemble du site de captage. Cet outil permet d’identifier et de quantifier les sources d’alimentation de la zone de captage, de mettre en évidence la protection partielle des ouvrages de pompage par les dômes hydrauliques créés par les bassins, et de montrer la complexité des relations nappe-rivière, notamment leur dépendance au niveau d’eau. D’ores et déjà opérationnel pour des temps longs (supérieurs à 15 jours), l’outil numérique proposé est exploitable pour des scénarios d’évolutions climatiques ou d’évolutions de l’exploitation du site. Pour les temps inférieurs à deux semaines, le modèle nécessite une amélioration de la connaissance des interactions nappe-rivière et des transferts thermiques (prise en compte du non-équilibre thermique local).Mots clés : Hydrogéologie, réalimentation artificielle, essais d’infiltration, traçages thermiques, modélisation hydro-thermique 3D.

The supply of drinking water for the 1,300,000 inhabitants of Lyon Metropole mainly comes from underground reserves in the well field of Crépieux-Charmy. This well field is a complex system because of its surface area (375 ha), the number of pumping wells (111 wells), the artificial recharge system (12 infiltration ponds), the interaction between the Rhône River and groundwater, as well as its natural lithological complexity. Understanding the interactions between the compartments of this system is necessary to ensure quantitative and qualitative sustainability of the water resource.The characterization of field-scale flows is based on three essential tools: observation, experimentation and numerical modelling.The observations, based on a lot of operational field data, highlight the influence of site operation on the flows (pumping and basins). Annually, artificial recharge requires a volume of water which accounts for half of the volume pumped on the whole site. This also leads to a significant rise in water table temperatures during summer periods. Piezometric and water temperature maps at the well field scale allow for visualization of the spatial and temporal evolutions of the flow directions. According to the data analysis, hydraulic domes created by the artificial recharge (and designed to provide a hydraulic barrier to protect against accidental contamination of superficial water) seem to persist for a maximum of 1 to 2 days after water supply of the basins has been stopped. An infiltration index has been defined in order to determine the infiltration capacity of each basin. It takes into account the multiple variables affecting the infiltration rate. The temporal evolution of the infiltration capacity of each basin illustrates the fouling of the basement sand layer. The infiltration index is also a decision support tool for the prioritization of basins to be rehabilitated.The experimental component is divided into two parts: basins characterization by infiltrometer tests (increase of infiltration by renewal of the sand layer, compacted layer under the sand characterized by a strong anisotropy of its hydraulic conductivities) and characterization of the flow direction by heat tracing at scale of an infiltration pond. An experimental system, created on both sides of one of the basins allows tracking of the evolution of piezometric and water temperature during filling cycles.The creation of the 31 piezometers of this experimental system enabled better characterization of the lithology of the ground, to validate the conservation of the unsaturated zone under the basin, to confirm the existence of flows under the Vieux-Rhône River, and to highlight the three-dimensional flows.A digital model has been created to reproduce water and heat transfer on the entire well field. This tool is used to identify and quantify the sources of water of the water catchment area, to highlight the partial protection of the pumping wells by the hydraulic domes, and to show the complexity of the groundwater-river relationship, in particular their dependence on the water level. Already operational on long periods (over 15 days), the proposed digital model is useful for scenarios of climate change or changes in operational conditions. For periods shorter than two weeks, the model requires an improvement in the knowledge of groundwater-river interactions and heat transfer (taking into account the local thermal non-equilibrium).Key words: Hydrogeology, artificial recharge, infiltrometer tests, heat tracing, 3D hydro-thermal modelling.