Faculté des sciences

Estimation et cartographie de la vulnérabilité des eaux souterraines en milieu urbain

Ducommun, Romain ; Zwahlen, François (Dir.) ; Perrochet, Pierre (Codir.) ; Dassargues, Alain (Codir.) ; Mudry, Jacques (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2010.

Les méthodes d’estimation et de cartographie de la vulnérabilité de l’eau souterraine ont été jusqu’à présent développées pour les milieux naturels et ruraux. Dans les milieux urbains, certains éléments spécifiques, comme les conduites souterraines, la concentration du ruissellement sur les surfaces imperméables (bitumes, bétons) ou la présence de matériaux artificiels... Plus

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    Résumé
    Les méthodes d’estimation et de cartographie de la vulnérabilité de l’eau souterraine ont été jusqu’à présent développées pour les milieux naturels et ruraux. Dans les milieux urbains, certains éléments spécifiques, comme les conduites souterraines, la concentration du ruissellement sur les surfaces imperméables (bitumes, bétons) ou la présence de matériaux artificiels fortement remaniés dans le sous-sol, ont une influence notable sur l’infiltration de l’eau en surface et sur la percolation de l’eau dans la zone non-saturée – processus participant de la recharge urbaine. La recharge spécifiquement urbaine des eaux souterraines, ainsi que les perturbations urbaines de l’écoulement en milieu saturé, doivent donc être inclus dans les schémas d’estimation de la vulnérabilité, afin de mettre au point une méthodologie de cartographie de la vulnérabilité adaptée aux milieux urbains, et ce particulièrement pour la cartographie à échelle locale. Dans ce but, une étude de la littérature, des essais de traçage en milieu urbain (Colombier et Neuchâtel, Suisse) et une série de simulations numériques du milieu urbain ont permis de mieux cerner l’impact de différents éléments urbains (surfaces imperméables, conduites souterraines et infrastructures en zone saturée) sur les écoulements de l’eau en surface et subsurface urbaines. Les essais de traçages urbains ont permis d’observer les processus suivants : (1) rôle dual des conduites souterraines sur la recharge (augmentation ou diminution de la recharge locale, par exfiltration ou infiltration) ; (2) augmentation de la recharge suite à la concentration du ruissellement en bordure de surfaces imperméables ; et (3) augmentation de la recharge en présence de matériaux artificiels remblayés dans la zone non-saturée. Les simulations numériques urbaines, réalisées avec deux modèles en éléments-finis d’échelle spatiale différente (1/3000 et 1/15000), ont permis de régionaliser l’impact des éléments urbains sur l’écoulement souterrain. Ces simulations ont montré que la recharge hétérogène (répartition spatiale selon le type de surface) a peu d’influence quelle que soit l’échelle cartographique, et qu’inversement, l’impact des conduites souterraines est significatif à différentes échelles cartographiques, même avec des valeurs faibles de facteur de perte. Les perturbations induites par les infrastructures en zone saturée ont également été caractérisées, mais sans toutefois pouvoir établir un lien entre ces perturbations et l’échelle cartographique. Ces différents résultats ont alors été pris en compte pour l’établissement d’une méthodologie générale d’estimation de la vulnérabilité adaptée au milieu urbain, qui propose notamment de compiler les éléments urbains au sein d’une carte des processus anthropiques affectant la recharge. Les indices de cette carte, modulables selon l’échelle cartographique et/ou la disponibilité en données, et ne prenant en compte que l’information sur le construit urbain (indépendante du contexte hydrogéologique), peuvent être superposés à des indices de vulnérabilité classiques, obtenus au moyen de méthodes existantes. Le produit final de cette superposition étant une carte d’indices de la vulnérabilité intrinsèque potentielle de l’aquifère urbain.
    Summary
    Vulnerability assessments and mapping methods for groundwater were primarily designed for rural and natural areas. In urban areas, urban-specific elements like underground pipes, a concentrated runoff on sealed surfaces, or the presence of artificial materials in the unsaturated zone impact surface water infiltration and water percolation in the unsaturated zone – processes that strongly affect the groundwater recharge. Urban-specific groundwater recharge, and flow perturbations caused by urban elements, have to be included in a vulnerability assessment scheme adapted to urban areas, more specifically for large-scale vulnerability mapping. In this perspective, a literature overview, tracer tests in urban context (Colombier and Neuchâtel, Switzerland) and numerical modelling of the urban environment were conducted to assess the impact of different urban elements (sealed surfaces, underground pipes and underground structures in the saturated zone) on the surface and subsurface urban water flow. The results of the urban tracer tests revealed: (1) the dual role of pipes on recharge (increase or decrease of local recharge by pipe exfiltration or infiltration); (2) an increase in recharge due to runoff concentration at the boundaries of sealed surfaces; and (3) an increase in recharge due to the presence of artificial backfill materials in the unsaturated zone. The urban numerical modelling, carried out by the means of two finite-element models with two different spatial scales (1/3000 and 1/15000), allowed the regionalisation of the impact of urban elements on groundwater flow. The results have pointed out how little the impact of the heterogeneous recharge (related to the surface type) at any map scale actually is, and inversely, how significant the impact of the underground pipes at various map scales is. The impact of underground structures on groundwater flow was characterised, without being able to establish any causal link between this impact and the map scale. The different results were used then in order to establish a general methodology for the adaptation of the vulnerability assessments in urban areas. This methodology aggregates the different urban elements into an anthropic-related recharge processes map. The indexes of this map can be adapted depending on the map scale and the data availability. Practically, this index contains only information about the urban infrastructures (independent of the hydrogeological context), and can be overlaid on any vulnerability index obtained through any existing methods (dependant of the hydrogeological context). The final product of this index overlay is an urban aquifer potential intrinsic vulnerability index map.