ETUDE DES IMPACTS DES VARIATIONS DE LA NAPPE …

Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l'Ingénieur - JNGG' 2006 Lyon (France)

Session 4 - Risques environnementaux liés au sol et au sous-sol IV - 49

ETUDE DES IMPACTS DES VARIATIONS DE LA NAPPE PHREATIQUE SUR LE RESEAU D’ASSAINISSEMENT

Florence RIVET1, Bernard BOURGINE2, Bernard RODIERE3, Antoine MARACHE4, Gérard MARONNE5 1 Lyonnaise des Eaux, Centre Régional des Moyens Techniques, Agence Patrimoine, Bordeaux, France 2 BRGM, Orléans, France 3 Lyonnaise des Eaux, Centre Régional des Moyens Techniques, Agence Patrimoine, Bordeaux, France 4 CDGA, Université Bordeaux 1, Bordeaux, France 5 Eau de Paris, SAGEP, Service MAC, Corbeil - Essonne, France

RÉSUMÉ – Le risque d’infiltration d’eaux claires parasites souterraines dans un réseau d’assainissement présentant des défauts d’étanchéité est induit par deux paramètres : la perméabilité du terrain considéré et le niveau de la nappe par rapport au réseau. Basée sur ces deux critères, la mise en œuvre d’une carte des susceptibilités à l’infiltration du réseau est développée à l’aide de méthodes géostatistiques. 1 Introduction Les risques sur un réseau d’assainissement associent trois composants : probabilité, enjeu et vulnérabilité. Ils peuvent être définis de la manière suivante :

Risques = Aléa × Enjeu × Vulnérabilité L’aléa est la probabilité d’occurrence d’un événement susceptible d’entraîner une défaillance

sur un ouvrage donné. L’enjeu correspond aux caractéristiques intrinsèques et extrinsèques de l’ouvrage en question. La vulnérabilité définit l’importance des conséquences directes et/ou indirectes de l’événement.

Les risques de dégradation d’un réseau d’assainissement sont induits par l’environnement au sens large des ouvrages (RERAU, 2002) : le type de terrain encaissant, le type d’effluent transporté, la typologie du collecteur et la nature du milieu environnant.

L’étude décrite dans cet article est ciblée sur les risques induits par le terrain encaissant. Selon sa nature et le contexte hydrogéologique, le terrain est susceptible de contenir une nappe superficielle dont le niveau varie avec la pluviométrie. Selon sa position, le réseau implanté dans un tel terrain peut être soumis aux fluctuations de la nappe phréatique. Les collecteurs peuvent alors se trouver immergés, et lorsqu’ils présentent des défauts d’étanchéité, ils vont être soumis à l’infiltration d’eaux claires parasites souterraines issues de la nappe phréatique.

L’aléa peut alors être défini comme la susceptibilité du réseau à l’infiltration d’eaux claires parasites souterraines, et l’enjeu est directement lié à l’état du collecteur (présence de défauts d’étanchéité ou non).

Selon les vulnérabilités considérées, la présence d’eaux claires parasites dans le réseau d’assainissement engendre deux types de risques :

- risque d’impact sur l’environnement Ce risque est induit par les surcharges des ouvrages de collecte et de traitement situés en aval des collecteurs soumis aux infiltrations. Ainsi, les surcharges au niveau des stations d’épuration vont diminuer leurs performances de traitement, générer des surcoûts d’exploitation et éventuellement engendrer des surverses d’effluents excédentaires non traités dans le milieu récepteur provoquant une pollution directe des eaux de surface et des sols.

F. Rivet et al.

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- risque géotechnique Ce risque est engendré par la circulation des eaux de la nappe aux abords du collecteur qui génère un entraînement des fines et peut être à l’origine du lessivage des liants hydrauliques des structures. Selon la nature des sols, cette action de la nappe peut conduire à la formation de cavités souterraines ayant un impact direct sur la stabilité des chaussées sus-jacentes.

Trois outils peuvent être combinés pour évaluer les risques liés aux infiltrations d’eaux parasites souterraines dans le réseau :

1) Une carte des susceptibilités du réseau à l’infiltration 2) Une carte des enjeux du réseau : état du réseau 3) Une carte des vulnérabilités : vulnérabilité du système d’assainissement situé à l’aval du

réseau considéré et vulnérabilité de l’environnement du collecteur L’étude présentée dans cet article a été réalisée dans le cadre du projet RIVIERA (RIsques

en VIlle : Equipements, Réseaux et Archéologie) qui vise à développer des outils d’aide à la décision en terme d’aménagements urbains basés sur des modèles tridimensionnels.

L’étude est ciblée sur l’élaboration de la carte des susceptibilités du réseau à l’infiltration. La démarche repose sur la construction d'un modèle lithologique intégrant perméabilités des terrains et des surfaces piézométriques, à l'aide de méthodes géostatistiques. La première partie sera consacrée à la présentation du secteur test choisi pour l’étude. La méthodologie mise en œuvre sera exposée dans une seconde partie. Les parties suivantes décrivent les phases de la construction du modèle lithologique et des surfaces enveloppes de la nappe. Enfin, la dernière partie est consacrée la réalisation de la carte proprement dite. 2 Secteur d’étude Le secteur d’étude retenu pour mettre en œuvre et tester la méthodologie est situé sur la Communauté Urbaine de Bordeaux (Figure 1) et s’étend sur une superficie de 36 km² (7,2 km × 5 km). La longueur cumulée du réseau d’assainissement sur la zone est d’environ 300 km répartis sur cinq communes : Saint-Aubin-de-Médoc, Saint-Médard-en-Jalles, Le Taillan-Médoc, Le Haillan et Eysines. Les eaux usées de ces communes sont traitées par la station d’épuration de Cantinolle. Le secteur est traversé par un cours d’eau principal : la Jalle et deux cours d’eau secondaires dont l’émergence est liée à la pluviométrie : le ruisseau Monastère, et le ruisseau Sainte-Christine.

Figure 1 : Localisation de la zone d’étude et répartition des données Le choix de la zone d’étude résulte de deux facteurs essentiels : d’une part la présence très

importante d’eaux claires parasites souterraines dans le bassin de collecte de la station d’épuration de Cantinolle (à titre indicatif en 2004 les eaux parasites constituent une surcharge

Légende : : Sondage

: Piézomètre : Station d’épuration de Cantinolle : Réseau routier

: Cours d’eau : Commune

Le Haillan

Eysines Saint-Médard-en-Jalles

Saint-Aubin-de-Médoc Le Taillan-Médoc

Le Haillan

N 1km

JNGG’ 2006 – Lyon


de traitement de 27%), d’autre part l’existence d’une importante quantité de données nécessaires à la mise en œuvre de la méthodologie : données hydrologiques (pluviomètres), hydrogéologiques (piézomètres) et lithologiques (sondages).

Les données pluviométriques sont fournies par 5 pluviomètres répartis sur la zone ou à proximité. Après une collecte des données approfondie sur le secteur, 58 piézomètres et 405 sondages ont été répertoriés sur la zone (Figure 1).

3 Méthodologie Le principe de construction de la carte des susceptibilités à l’infiltration repose sur l'intersection du réseau d'assainissement avec un modèle lithologique des terrains et les surfaces enveloppes de la nappe (Figure 2). Selon la position du collecteur par rapport au niveau de la nappe, et selon la perméabilité des terrains traversés, on définit un degré de susceptibilité à l'infiltration plus ou moins fort. Plus précisément, quatre degrés de susceptibilité allant de faible à très fort ont été définis. Ainsi un collecteur situé en permanence sous le niveau de la nappe et traversant des formations perméables ou très perméables présentera une très forte susceptibilité à l'infiltration (tronçons a et b Figure 2). En revanche si un collecteur est en permanence hors d'eau, sa susceptibilité à l'infiltration sera faible (tronçons i, j, k et l Figure 2). De même si un collecteur est sous le niveau de la nappe mais dans un terrain imperméable (tronçons d et h Figure 2), celle-ci sera faible. La susceptibilité sera considérée comme moyenne lorsqu’un collecteur est dans la zone de battement de la nappe et dans un terrain moyennement perméable (tronçon g Figure 2). Enfin elle sera forte pour un collecteur situé dans la zone de battement de la nappe et dans des terrains perméables ou très perméables (tronçons e et f Figure 2), ou alors lorsque celui-ci sera situé en permanence sous la nappe, mais dans un terrain moyennement perméable (tronçon c Figure 2).

Figure 2 : Principe de construction de la carte des susceptibilités à l'infiltration du réseau La mise en œuvre de cette méthodologie nécessite un certain nombre de phases illustrées

sur la Figure 3. Les données lithologiques sont regroupées en classes de perméabilité et utilisées pour construire un modèle lithologique tridimensionnel d’occurrence d’une classe de perméabilité. Les données pluviométriques et piézométriques sont traitées pour reconstruire les surfaces enveloppes de la nappe phréatique. Enfin, les données d'altimétrie des réseaux sont collectées de façon à pouvoir situer les réseaux. Toutes ces phases sont détaillées ci-après (Figure 3).

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Figure 3 : Phases de construction de la carte des susceptibilités à l’infiltration

4 Construction du modèle tridimensionnel des classes de perméabilité 4.1 Classification et codification des terrains La définition du dictionnaire d’hydrogéologie (Castany et Margat, 1977) décrit la perméabilité k d’un corps, d’un milieu solide – notamment un sol, une roche – comme la propriété de ce dernier à se laisser pénétrer et traverser par un fluide sous l’effet d’un gradient hydraulique. Cette définition est directement liée au coefficient de perméabilité K qui caractérise la faculté de l’eau à circuler au travers du terrain. Ne disposant d’aucune information sur le coefficient de perméabilité des terrains sur la zone d’étude, nous avons dû simplifier le problème et raisonner en termes de classes de perméabilité : les terrains sont regroupés selon leur capacité à emmagasiner l’eau, leur faculté à restituer l’eau n’étant pas prise en compte.

La classification retenue est la suivante (Tableau I) :

Tableau I : Classification des terrains rencontrés en classe de perméabilité Types de terrain Classes de perméabilité

Tourbe / Vase K1 : très perméable Terre / Remblais / Sable / Grave K2 : perméable Sable argileux / Sable limoneux Argile sableuse / Argile graveleuse Grave argileuse / Remblais argileux

K3 : moyennement perméable

Argile / Limons K4 : imperméable Les collecteurs de la zone d’étude étant peu profonds, seules les formations du Quaternaire

(-1,64 Ma à nos jours) sont modélisées. Ces dernières reposent sur le substratum sous-jacent (formations du Tertiaire (-65 Ma à 1,64 Ma)) (Dubreuilh, 1976). 4.2 Modèle des classes de perméabilité (Rivet, 2005) 4.2.1 Limites géométriques Le modèle a pour étendue les limites géographiques de la zone d’étude. Il est limité vers le haut par la surface topographique et vers le bas par le toit du substratum tertiaire.

La surface topographique est donnée par le Modèle Numérique de Terrain (MNT) de l’Institut Géographique National (IGN) disponible sur la zone d’étude à la maille 25 m². Ce MNT a l'avantage de couvrir toute la surface de façon exhaustive mais présente l’inconvénient d’être de précision insuffisante, notamment au niveau des tampons de regards des collecteurs. Ce MNT a donc été corrigé en tenant compte des cotes NGF des tampons de regards disponibles sur le secteur étudié.

DONNEES LITHOLOGIQUES DONNEES HYDROLOGIQUES/HYDROGEOLOGIQUES DONNEE ALTIMETRIE DU RESEAU

CLASSIFICATION ET CODIFICATION TRI ET SELECTION

SIMULATIONS GEOSTATISTIQUES

MODELE TRIDIMENSIONNEL D’OCCURRENCE D’UNE CLASSE DE PERMEABILITE

CARTE DES SURFACES ENVELOPPES DE LA NAPPE PHREATIQUE

INTERPOLATION TEMPORELLE ET SPATIALE

COLLECTE DE LA DONNEE MANQUANTE

CARTE DES SUSCEPTIBILITES A L’INFILTRATION DES EAUX CLAIRES PARASITES SOUTERRAINES DANS LE RESEAU D’ASSAINISSEMENT

VALIDATION DE LA CARTE PREVISIONNELLE



Le toit du substratum est modélisé à partir de la cote du substratum fournie par les sondages l’ayant atteint (308 sondages sur 405). Grâce aux méthodes géostatistiques, il est possible de prendre également en compte les sondages n’atteignant pas le toit du substratum, en forçant le modèle à passer sous la cote de fin de sondage. Le toit du substratum a ainsi été interpolé par krigeage sous contrainte d’inégalités.

Une analyse rigoureuse des résultats est effectuée à l’aide de la carte géologique du secteur d’étude disponible au 1/50000. La précision de la carte géologique est inférieure à celle requise pour l’étude ; néanmoins elle permet de visualiser les grandes tendances des formations géologiques affleurantes sur la zone. 4.2.2 Modèles équiprobables des classes de perméabilités Une fois les surfaces enveloppes du modèle tridimensionnel définies, les informations des sondages préalablement codées en classes de perméabilité sont utilisées pour "remplir" le modèle.

Les corrélations verticales et horizontales entre les classes de perméabilité sont caractérisées à l’aide de fonctions statistiques (variogrammes) calculées à partir des données de sondages. Ces fonctions sont ajustées à des modèles de référence. Une étude approfondie de la répartition spatiale des proportions des différentes classes de perméabilité est réalisée. La possibilité d'obtenir ou non dans le modèle un contact entre deux faciès donnés (par exemple un terrain imperméable peut-il être directement en contact avec un terrain très perméable ?) est définie à partir des observations des sondages disponibles sur la zone. A partir de ces éléments, la méthode des simulations conditionnelles "plurigaussiennes seuillées" (de Fouquet et al., 1988) est utilisée pour générer une série de 100 modèles équiprobables de perméabilité (Figure 4). Chacun de ces modèles fournit pour chaque cellule (25m*25m*0,1m) la nature de sa classe de perméabilité (K1, K2, K3 ou K4).

Figure 4 : Bloc diagramme représentant un exemple de modèle tridimensionnel de perméabilité

4.2.3 Modèles d'occurrence d'une classe de perméabilité Les 100 modèles obtenus offrent chacun une vision tridimensionnelle des classes de perméabilité et constituent chacun une représentation possible de la réalité. Les probabilités d’apparition de chacune des 4 classes de perméabilité sont calculées sur les 100 modèles équiprobables. En comptant parmi ces 100 modèles, le nombre de fois où une cellule (25m*25m*0,1m) donnée est de type K1, K2, K3 ou K4, on peut estimer pour cette cellule les probabilités d’apparition de chacune des 4 classes de perméabilité. En répétant ceci pour chaque cellule, on obtient 4 modèles qui fournissent pour chaque cellule la probabilité d’être dans une classe de perméabilité. Le modèle tridimensionnel d’occurrence de la classe de perméabilité K2 correspondant aux terrains dits perméables est donné en exemple sur la Figure 5.

Terrains K1

Terrains K2

Terrains K3

Terrains K4

Le Haillan

Saint-Médard-en-Jalles Saint-Aubin-de-Médoc

Le Taillan

Eysines

Jalle

X (m) en Lambert 3

Y (m) en Lambert 3

Z (mNGF)

N

Perméabilité croissante

F. Rivet et al.


Figure 5 : Bloc diagramme représentant la probabilité d’occurrence d’apparition des terrains K2 A titre d’exemple, un bloc 3D du modèle peut avoir une probabilité de 5% d’être très

perméable, 75% d’être perméable, 15% d’être moyennement perméable et 5% d’être imperméable, la somme de ces quatre chiffres faisant 100%. 4.2.4 Validation des modèles tridimensionnels de probabilité Lors de la mise en place d’un collecteur, dans certains cas, lors de l’exécution des tranchées, des relevés de la nature des terrains encaissants sont réalisés. Les diverses coupes des tranchées reportées sur les profils en long de récolement des collecteurs sont utilisées pour la validation du modèle. Des coupes sont effectuées à travers les modèles tridimensionnels de probabilité des classes de perméabilité et comparées aux coupes des tranchées correspondantes. Le modèle est actuellement en cours de validation. 5 Estimation des surfaces enveloppes de la nappe phréatique 5.1 Tri et sélection des piézomètres Les collecteurs étant peu profonds, ils sont essentiellement soumis aux fluctuations des nappes superficielles libres. Trois systèmes aquifères superficiels libres existent sur la zone : aquifère quaternaire ; aquifère Miocène ; aquifère Oligocène. L’ensemble des nappes superficielles affleurantes sur la zone peut être considéré en continuité hydraulique. La construction des surfaces enveloppes a été réalisée en faisant l’hypothèse d’une nappe superficielle unique et uniformément répartie sur la zone d’étude.

Les piézomètres ont été triés : seuls les piézomètres captant un aquifère superficiel libre ont été sélectionnés. Une sélection a également été effectuée sur la longueur et la densité des chroniques piézométriques. Au final, sur les 58 piézomètres répertoriés sur la zone d’étude, seuls 31 ont été utilisés pour tracer les cartes de Hautes Eaux maximales et Basses Eaux minimales de la nappe (Ochs, 2004). La durée d’observation des chroniques piézométriques est de 13 ans (janvier 1990 à septembre 2003). 5.2 Cartes des surfaces enveloppes de la nappe phréatique Afin de connaître les fluctuations extrêmes de la nappe phréatique, les cartes de Hautes Eaux maximales et Basses Eaux minimales ont été tracées. La méthode consiste à relever la valeur piézométrique maximale ou minimale sur chacune des chroniques piézométriques (Marache et al., 2006). L’utilisation des méthodes géostatistiques a ensuite été utilisée pour corréler les

Echelle de probabilité d’occurrence des

terrains de classe K2 : Le Haillan

Saint-Médard-en-Jalles Saint-Aubin-de-Médoc

Le Taillan

Eysines

Jalle

X (m) en Lambert 3

Y (m) en Lambert 3

Z (mNGF)

N



données piézométriques dans l’espace. Les cartes ont été réalisées après une analyse approfondie de la fiabilité des données de départ. La Figure 6 présente les cartes des surfaces supérieure et inférieure de la nappe.

Figure 6a : Carte de Hautes Eaux maximales Figure 6b : Carte de Basses Eaux minimales Figure 6 : Cartes des surfaces enveloppes de la nappe (source Ochs, 2004)

6 Mise en place de la carte des susceptibilités à l’infiltration Comme expliqué à la section 3, le réseau des collecteurs est intersecté avec le modèle lithologique et les surfaces piézométriques. Un collecteur est défini par le tronçon de réseau compris entre deux regards successifs. Sous le Système d’Information Géographique (SIG) de la Lyonnaise des Eaux, chaque collecteur est localisé par ses coordonnées X, Y et ZFil d’eau correspondant à la cote NGF du fil d’eau du collecteur (radier du collecteur). Une collecte approfondie des cotes radiers des collecteurs a été menée afin de compléter la donnée manquante sur la zone. Selon ses coordonnées le collecteur va se trouver dans un terrain affecté d’un niveau d’eau maximum et minimum, et d’une probabilité d’apparition de chaque classe de perméabilité. La combinaison de ces deux facteurs, hauteur d’eau et perméabilité, va amener à attribuer un degré de susceptibilité à l’infiltration du collecteur (Figure 2). Chaque degré de susceptibilité est affecté d’une couleur. Les collecteurs dont la donnée ZFil d’eau n’est pas connue sont affectés de la couleur noire, l’évaluation de la susceptibilité du collecteur à l’infiltration étant impossible. Les degrés de susceptibilité à l’infiltration seront également à calibrer avec les inspections nocturnes de détections des infiltrations d’eaux parasites souterraines dans les collecteurs. La Figure 7 présente le prototype fictif de la carte des susceptibilités du réseau aux infiltrations d’eaux parasites souterraines.

Figure 7 : Prototype de la carte des susceptiblités à l'infiltration du réseau attendue

Une fois réalisée, la carte des susceptibilités sera validée en comparant les résultats aux désordres constatés par le passé, soit lors des interventions sur les collecteurs ennoyés, soit

Cotes d’eau (mNGF)

Susceptibilité du réseau à l’infiltration :

Très forte

Forte

Moyenne

Faible

N

Station d’épuration de Cantinolle

1 km Cours d’eau

1 km

N

1 km

N

Réseau d’altimétrie non connue

F. Rivet et al.


lors des dégâts d’affaissement de voirie occasionnés par les désordres structurels au niveau du terrain encaissant des collecteurs. 7 Conclusions et perspectives La méthodologie proposée dans cette étude a pour objectif la mise en place d’une carte des susceptibilités du réseau à l’infiltration des eaux parasites souterraines. La méthode de construction est basée sur la combinaison de deux paramètres : perméabilité du terrain encaissant du réseau et niveau de la nappe phréatique. En replaçant le réseau dans ce contexte, quatre degrés de susceptibilité à l’infiltration ont été définis. La carte des susceptibilités actuellement en cours de construction est à valider avec les observations sur le terrain des collecteurs soumis aux infiltrations.

A court terme, la carte sera utilisée pour planifier les inspections nocturnes de détection des eaux parasites souterraines sur le secteur d’étude. Ces inspections seront ciblées sur les collecteurs de forte à très forte susceptibilité d’infiltration.

A plus long terme, la carte des susceptibilités sera intégrée dans une analyse détaillée du risque. Les cartes des enjeux du réseau et de la vulnérabilité du réseau complèteront la carte des susceptibilités à l’infiltration. L’association des trois cartes permettra d’établir une carte du risque global, géotechnique et environnemental, sur le réseau d’assainissement. Remerciements : Le travail présenté dans cet article est mené avec le support du RGCU (Réseau Génie Civil & Urbain) et financé par le Ministère de la Recherche (financements numéros 02V0677, 02V078 et 02V079). 8 Références bibliographiques

Castany G., Margat J. (1977), Dictionnaire français d’hydrogéologie, BRGM Service national,

Orléans, 249 pages. De Fouquet C., Beucher H., Galli A., Ravenne C. (1988), Conditional simulation of random sets

– Application to an argillaceous sandstone reservoir. Proceedings of the 3rd international geostatistics congress, September 1988, Avignon. M. Amstrong, Kluwer Academic publishers.

Dubreuilh J. (1976), Contribution à l’étude sédimentologique du système fluviatile Dordogne-Garonne dans la région bordelaise ; les ressources en matériaux alluvionnaires du département de la Gironde, Thèse, Université Bordeaux 1.

Marache A., Lastennet R., Rodière B., El Oifi B ., Ochs M. (2006), Impact of water table variations on sewer networks, Proceedings of the 10th IAEG Congress, September 2006, Nottingham, Paper n°74.

Ochs M. (2004), Impact des variations de la nappe phréatique sur les réseaux d’assainissement. Rapport de stage de fin d’étude, ENSG, 39 pages.

RERAU (2002), Projet national de réhabilitation des réseaux d’assainissement urbains, Restructuration des collecteurs visitables. Guide technique, tome 1 – Lavoisier, Paris, 154 pages.

Rivet F. (2005), Impact des variations de la nappe phréatique sur les réseaux d’assainissement. Rapport de stage de fin d’étude, ENSG, 40 pages.

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