[PDF] Eaux Pluviales Nappe Infiltration centralisée

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Eaux

Pluviales

Nappe

Infiltration

centralisée

Réponse

fonctionnelle des aquifères souterrains aux pratiques centralisées d'infiltration d'eau pluviale en milieu urbain ANR-16-CE32-0006 -JUILLET 2021- VERSION 2

PROPOS Les mili

eux poreux ou fissurés pouvant contenir de l'eau, les aquifères, abritent des nappes souterraines s'écoulant à des vitesses variables

et s ur d es d istances parfois tr

ès grandes. Les nappes peuvent passer en-dessous des villes à l'insu de leurs habitants. Pourtant les eaux

souterraines c ouvrent p lus d e 6 5% d es b esoins en eau p otable de l'Union E uropéenne. Leur préservation est donc essentielle.

Le maintien

d e l a q uantité d'eau

présente dans les nappes dépend du phénomène de recharge par les précipitations et par les cours d'eau :

la perméabilité des s ols au x e

aux de pluie est donc primordiale. De ce fait, l'imperméabilisation grandissante des sols, liée principalement

au d

éveloppement

u rbain, es t une menace pour la pérennité de cette ressource. Depu

is 30 ans, face à cette imperméabilisation urbaine, la gestion de l'eau en ville s'est fortement transformée et même réinventée pour mieux

respecter et préserver le cycl

e naturel de l'eau (précipitation, infiltration, recharge). La ville imperméable doit alors se " désimperméabiliser »

e

n refusant le recours systématique au " tout tuyau » au profit de solutions alternatives de gestion des eaux pluviales. Ces ouvrages alternatifs

peuvent être centralisés (comme des bassins de déca

ntation et d'infiltration) ou dispersés " à la source » dans le bassin versant au plus près

de l à où l'eau tombe (noues, tranchées, structures r

éservoirs, jardin de pluie...).

Mais se p ose a lor s

la question de l'impact de ces pratiques d'infiltration des eaux de ruissellement pluvial sur les nappes : quelles

conséquences sur la qualité de la ressource en eau et la biodiversité des écosystèmes souterrains ?

L'OTHU

Observ

atoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) s'intéresse à cette thématique

depuis 1999, accumulant données et expériences à long terme. Grâce aux avancées du projet

de recherche ANR Frog, nous avons pu synthétiser l"ensemble de nos connaissances et app

orter des éléments nouveaux et en matiére d"apports d"éléments exogènes, chimiques et

biologiques, aux nappes souterraines alimentées par des ouvrages centralisés d"infiltration des eaux pluviales en ville. Ce programme était centré sur le territoire de la

Métropole de

Lyon et soutenu par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR), il a réuni pendant 4,5 ans (01/2017

06/2021) un consortium pluridisciplinaire de laboratoires appartenant à l'Université

de Lyon (le LEHNA (UMR 5023) avec les équipes E3S et IPE du CNRS-Lyon 1 et de l"ENTPE, l"Institut des sciences analytiques ISA (UMR 5280) avec l"équipe Traces du CNRS-Lyon 1, le LEM (UMR 5564) avec l"équipe BPOE du CNRS-Lyon 1 et VetAgro Sup), et à l"Université Grenoble Alpes (l"Institut des Géosciences de l"Environnement (IGE-UMR 5001)) et a pu bénéficier des compétences opérationnelles du GRAIE - OTHU et d"interactions fructueuses avec La Métropole de Lyon.

Ce document de synthèse du programme

ANR-Frog a pour objectif d"éclairer la prise de

décision des maîtres d"ouvrage pour la mise en place de systèmes d'infiltration d'eau pluviale urbaine sous forme d'ouvrages centralisés,

afin d'évaluer leurs potentiels impacts sur les nappes, les stratégies pour minimiser ces impacts et pour établir des suivis pertinents des effets

à long terme de ces pratiques sur les écosystèmes souterrains.

Exemple du bassin d"infiltration des

eaux pluviales de Minerve sur la

Métropole de Lyon

3 des nappes souterraines

Quelques points clés

à retenir ?

: la nappe phréatique (Fig. 1). Son niveau supérieur (ou niveau piézométrique) fluctue au fil des saisons, en fonction des précipitations et de la capacité des sols à permettre l"infiltration des pluies. Bien entendu dans d"autres contextes géologiques, cette nappe souterraine peut être très différente : sous forme de fractures en terrain granitique ou de cavités de dissolution en terrain calcaire. Les teneurs en nutriments sont généralement très faibles dans les nappes non impactées par les activités humaines. C"est particulièrement vrai pour la matière organique qui est piégée par les sols près de la surface. Ainsi, les teneurs en carbone organique dissous dans les nappes sont infimes en comparaison avec des teneurs mesurées dans les eaux ruisselant en surface (souvent moins de 30%) (Fig. 3) . Fi g. 3. Teneurs moyennes en carbone organique dissous dans trois types d"eau Les organismes vivant dans les nappes phréatiques doivent

être adaptés à l"absence de

lumière, à la faible taille des interstices et au manque de ressources alimentaires (pas de production photosynthétique).

Les invertébrés (ici un Crustacé

Amphipode aveugle ©photo

P.Marmonier

) sont donc naturellement peu abondants et très peu diversifiés.

Fig.4 .

4 des ouvrages centralisés sur les nappes Comment suivre l'état de santé d'une nappe phréatique sous un ouvrage de gestion centralisé des eaux pluviales ? nécessaire d"équiper les sites en piézomètres permettant d"accéder à la nappe. Ces tubes e nfoncés dans le sol jusqu"en dessous du niveau piézométrique doivent être positionnés en amont (piézomètre de référence, noté R sur la

Fig. 5.) et en

aval du bassin (piézomètre permettant de suivre l"impact de celui-ci, noté I sur la Fig. 5.). (a) Deux stratégies complémentaires peuvent être déployées : (1) des campagnes d"échantillonnage ponctuelles de l"eau à l"aide d"une pompe ou de systèmes d"échantillonnage passifs ou (2) des enregistrements de chroniques (annuelles ou pluriannuelles) pour des paramètres descripteurs du fonctionnement des bassins (comme la température, la conductivité ou l"oxygène dissous). (b) Impacte-t-on la température de la nappe en infiltrant ? Lors des évènements pluvieux, la température de la nappe est fortement impactée en aval du bassin par les apports d"eau pluviale ( Fig.6) . Cet impact est essentiellement fonction de la quantité d"eau infiltrée et de la différence de température entre nappe et eau de pluie : les précipitations estivales (plus chaudes) et hivernales (plus froides) induisent une cyclicité thermique de parfois plus de 10°C en aval du bassin (contre moins d"un degré en amont).

Fig. 5. (a) Positionnement des piézomètres pour l"étude d"un bassin d"infiltration en amont ( R) et en aval (I) de celui-ci.

(b)Deux stratégies d"étude de la nappe : les enregistrements en continu et les campagnes ponctuelles de mesures.

Fig. 6. Cycles thermiques d"une nappe phréatique en amont et en aval d"un bassin d"infiltration (données OTHU 2012) 5 Le s infiltrations d'eau pluviale perturbent le cycle thermique de la nappe, mais cet impact s'atténue en s'éloignant du bassin d'infiltration, plus ou moins vite en fonction du volume d'eau infiltrée et de ses contacts avec la nappe (

épaisseur de la ZNS).

Mais attention : les apports multiples liés à la ville ont un effet cumulatif global sur la nappe et contribuent aux changements thermiques à long terme des écosystèmes souterrains. Est-ce à dire que l'on c ontami ne l a napp e en infiltrant l es eau x d e ruissellement de façon centralisées?

Mais qu'en est-il des micropolluants ?

Comment mesurer les micropolluants au sein d'une

nappe? Fig. 7. Principe de fonctionnement d"un échantillonneur passif Une stratégie alternative consiste à incuber dans les eaux de nappe des échantillonneurs passifs (Fig . 7 .) : des membranes ou des résines réceptrices qui accumulent sur plusieurs jours les substances circulant dans la nappe. Cette accumulation permet une meilleure intégration des variations temporelles et d"abaisser les limites de détection. Cette technique se démocratise et constitue une méthode prometteuse opérationnellement .

Mais quels micropolluants retrouve-t-on ?

Les dispositifs basés sur la filtration au travers d'un sol/substrat VIVANT et donc les dispositifs végétalisés sont des solutions efficaces pour piéger les HAP ou métaux lourds et ainsi réduire le risque de transfert dans la nappe.

De nouvelles méthodes intégratrices des

flux de micropolluants permettent d'observer une grande diversité de xénobiotiques apportés à la nappe (pesticides, résidus médicamenteux) mais l'infiltration d'eau pluviale peut aussi diluer les pollutions historiques présentes dans la nappe. 6 L es apports d'eau pluviale à la nappe perturbent aussi le fonctionnement biogéochimique de celle-ci (Fig. 9.). La dégradation par les bactéries de la matière organique issue du lessivage des sol et véhiculée par les eaux de ruissellement, consomme beaucoup d'oxygène dissous. Des micro-sites anoxiques peuvent se former entre les grains de sédiments, induisant alors une déplétion en nitrate (par dénitrification) et au contraire, des augmentations des teneurs en phosphate (relargué des sédiments sous conditions de faible oxygénation). Fi g . 9. Effet des apports de matière organique sur le fonctionnem ent biogéochimique de la nappe. Ainsi, dans un bassin d"infiltration situé sur le campus universitaire de la Doua (villeurbanne), les apports en carbone organique dissous (COD, moyenne annuelle pour 2018, Fig. 10) induisent des périodes de faible oxygénation (visibles par enregistrement en continu de l"oxygène dissous), des baisses du nitrate (-40%) et des hausses du phosphate (+800%). Ces modifications biogéochimiques peuvent persister dans la nappe en aval du bassin même en dehors des périodes de pluie, comme si le système souterrain avait changé de mode de fonctionnement (origine et quantité disponible de matière organique) : on dit alors que le statut trophique de la nappe a été modifié. Mais ce changement n"est pas en soi exceptionnel, il existe des nappes naturellement plus ou moins riches en nutriments. Fi g . 10. Valeurs moyennes en nutriments (4 dates d'échantillonnage en 2018) et valeurs minimales et maximales en oxygène dissous (enregistrement en continu sur l'année 2018), en amont (R) et en aval (I) du bassin d'infiltration de la Doua (données OTHU) ( © F.Cherqui , INSA

DEEP).

Fig. 8. Exemples de pesticides et de résidus pharmaceutiques collectés par échantillonnage passif dans les eaux de ruissellement et les eaux souterraines impactées ou non par des bassins d"infiltration (Pinasseau et al., 2019). 7

Et la biodiversité des nappe

s dans tout cela ? Fig . 11. Caractéristiques des biofilms microbiens en amont (nappe non impactée) et en aval (nappe impactée) de 3 bassins d"infiltrations (Mermillod-

Blondin et al. 2013 dans Ecological indicators).

Dans certains cas, les activités microbiennes peuvent être stimulées par la pluie alors que la biomasse peut diminuer par érosion du biofilm (l"eau de pluie peu minéralisée peut créer un choc osmotique pour les bactéries fixées sur le sédiment).

La biodiversité d

es communautés microbiennes peut aussi être modifiée en terme de composition des espèces présentes dans la nappe. En effet, les communautés microbiennes présentes en aval des bassins ne sont pas un simple mélange de celles présentes dans la nappe en amont et celles apportées par les eaux de ruissellement et infiltrées vers la nappe. Des associations originales se forment en aval des apports d"eaux pluviales urbaines. Une analyse des groupes microbiens présents dans les eaux de ruissellement arrivant au bassin de Grange Blanche, ainsi que dans les eaux souterraines en amont et en aval de celui-ci (Fig. 12.), souligne l"originalité de la communauté présente en aval des bassins d"infiltration. Ainsi, le groupe des Bacteroidetes est stimulé par l"infiltration des eaux pluviales et l"arrivée de matière organique dans la nappe. Certaines bactéries peuvent donc être utilisées comme des descripteurs de l"état trophique de la nappe et d"autres peuvent témoigner de la vulnérabilité de celle-ci à des arrivées d"eau de surface. Fig . 12. Analyse multivariée basée sur la composition des communautés bactériennes dans les eaux de ruissellement et les eaux souterraines du bassin de Grange-Blanche. Plus les points sont éloignés les uns des autres et moins leurs compositions en bactérie se ressemblent. Ici, les communautés retrouvées dans les trois types d"eau sont très distinctes (Voisin et al., 2018).

Les apports d'eaux pluviales

s'accompagnent d'apports de nutriments qui peuvent modifier les cycles biogéochimiques d ans la n appe.

Si certaines de ces modifications persistent

au -delà des périodes pluvieuses : on a alors un c hangement lo ng t erme d u statut trophique d e la n appe. Mais ce changement n 'est pa s forcemment impactant, il existe des nappes naturellement p lus o u m oins r iches e n nutriments

Les infiltrations d'eaux pluviales induisent

des augmentations d'activités microbiennes en aval des bassins, parfois accompagnées de modifications des biomasses présentes et des changements importants de la composition de la communauté présente dans les ea ux souterraines.

Certaines bactéries peuvent donc être de

bons descripteurs de l'état trophique et de santé de la nappe sous un ouvrage d'infiltration. 8

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