Sécurité de l'alimentation en eau potable de l'agglomération Lyonnaise

Les opérations menées sur de gros champs tels ceux de Lyon, Montereau « Vals de Seine », Chasse-sur-Rhône, Rouen-La-Chapelle, Metz, etc., ont révélé l’inertie de ces systèmes hydrauliques. En cas d’arrêt des pompages, la nappe met entre plusieurs jours et plusieurs semaines pour recouvrer son équilibre. De ce fait, des dispositifs de protection hydraulique fonctionnant en continu sont recommandés pour prévenir l’impact des perturbations passagères du régime normal de la rivière (étiage sévère ou pollution accidentelle). Le champ captant de Crépieux-Charmy (300 000 m³/jour) vient d’être équipé d’un outil de gestion et d’options des ripostes pour la sécurité de l’alimentation en eau de l’agglomération lyonnaise. Cette innovation technique matérialise la volonté de la Collectivité pour la préservation d’une eau de qualité.

Un site exceptionnel pour l’alimentation en eau de l’agglomération lyonnaise

Pour assurer les besoins en eau de plus de 1 200 000 personnes réparties sur 55 communes, le Grand Lyon dispose d’un site exceptionnel situé aux portes de l’agglomération : le champ captant de Crépieux-Charmy.

L’eau est captée au cœur d’une vaste zone de 300 hectares au moyen de 82 puits et 32 forages implantés sur deux zones distinctes : l’île de Crépieux, entre le canal de Miribel et le Vieux Rhône et le méandre de Charmy en rive gauche du Vieux-Rhône. Un imposant dispositif permet de produire et de distribuer par quelques 4 400 km de canalisations un volume quotidien moyen de 320 000 m³, la production pouvant être exceptionnellement portée à 550 000 m³/j pour satisfaire aux fortes demandes estivales.

Dès 1984, et pour faire face au risque que présente un outil de production concentré sur un site unique, la Direction de l’Eau du Grand Lyon s’est dotée en outre d’un certain nombre de secours dits actifs, destinés à pallier les effets d'une grave pollution du site de Crépieux-Charmy. C’est ainsi que l’infrastructure permettant le pompage et le traitement de l’eau directement dans le lac voisin de Miribel-Jonage est devenue opérationnelle.

Parallèlement à cette solution de dernier recours, un important programme de prévention des risques et de sécurisation du champ captant de Crépieux-Charmy a été entrepris. Tous ces efforts de protection de la ressource en eau se sont concrétisés au cours de l'année 1996 par la création du système Rosalye (Système de Riposte Optimisée pour la Sécurisation de l’Alimentation de l’Agglomération Lyonnaise en Eau) présenté ici.

La compréhension du fonctionnement a reposé sur une modélisation mathématique destinée à reproduire les conditions de transfert de l'eau depuis le fleuve jusqu’aux puits de captage. Cela passait par la connaissance des voies préférentielles de circulation des eaux souterraines, de l’influence des conditions hydrodynamiques (notamment des niveaux et de la température du Rhône), des temps de transfert entre le fleuve et les puits.

Le modèle a été élaboré selon des procédures classiques par calage sur des observations réelles qui, compte tenu de la configuration complexe à étudier, ont été particulièrement lourdes (traçages, interface nappe-rivière, chroniques piézométriques.

perméabilité des terrains...).

Le modèle Mosaic développé par le Bureau d'Ingénieurs Conseils Burgeap a permis de définir et de dimensionner un premier principe de protection dynamique, résumé dans le terme de « barrière hydraulique ».

Le principe de barrière hydraulique

Le mode de protection du champ captant par une barrière hydraulique est illustré en figure 1. Deux principes essentiels sont à souligner. En régime d’exploitation courant, le pompage dans les puits crée dans la nappe un cône de dépression, vaste entonnoir alimenté par les apports du Rhône à travers ses berges. Cette configuration expose donc les puits à une éventuelle pollution du Rhône. Huit bassins d’infiltration situés entre le Rhône et les puits, alimentés par une prise en rivière, sont conçus de manière à créer artificiellement un dôme piézométrique — une remontée artificielle du niveau de la nappe entre le fleuve et les puits d’exhaure — qui induit une inversion des sens d’écoulement dans la nappe. L'eau pompée provient toujours du Rhône ; elle est malgré tout filtrée par une couche sableuse de finition au fond des bassins, et par l’épaisseur de la zone non saturée. L’alimentation des bassins est bien entendue coupée en cas d’alerte correspondant au passage d’une pollution. Le dôme créé empêche une progression de l’eau dans le sens rivière vers nappe. En cas d’arrêt de l’alimentation du dispositif, une réserve d’eau de bonne qualité reste ainsi utilisable par les pompages (on parle d’inertie de la nappe). En l’état actuel, certains puits se trouvent en dehors de la limite d’influence des bassins de réalimentation (1). Les puits de pompage situés au plus près de la berge peuvent être utilisés pour fixer une pollution qui s'introduirait dans la nappe non influencée. Dans ce cas, les puits dits « de fixation » sont by-passés de la distribution, et leur eau est rejetée au Rhône à l’aval. Les puits situés au cœur du champ sont ainsi protégés. Ce dispositif concerne à la fois l'île de Crépieux et le méandre de Charmy.

Ces deux principes de protection sont opérationnellement très intéressants. Ils ont permis de proposer à l’exploitant un certain nombre de modalités de riposte pour faire face à un événement polluant sur le Rhône.

Il ne s’agit donc plus de subir la pollution, mais de jouer sur les conditions hydrauliques pour anticiper sur les effets et les limiter voire les éliminer.

Surveillance et riposte pour garantir la qualité de l’eau

Le diagramme de la figure 2 résume le principe d'utilisation du système Rosalye. La mise en œuvre d’un système de surveillance de la qualité des eaux du Rhône se décline à deux niveaux. Deux stations de contrôle mesurent en permanence 8 paramètres de la qualité physico-chimique de l’eau et transmettent par liaisons spécialisées les résultats à l’exploitant (Usine des Eaux de Croix-Luizet à Villeurbanne). Une importante sensibilisation des acteurs est conduite en amont du lieu de captage, et un protocole précis a été conçu pour la transmission des alertes.

La notion de « riposte » regroupe les moyens d'anticipation dont dispose l’exploitant pour agir sur les conditions hydrodynamiques et le fonctionnement hydraulique de l’ensemble. Sur Crépieux-Charmy, ces moyens sont classés en 4 catégories : la limitation du volume d’eau exploité, la répartition des pompages entre les 112 ouvrages, l’action de tout ou partie de la barrière hydraulique (bassins d’infiltration et puits de fixation) et la modulation des débits dans les canaux du Rhône (barrages en amont). Le rôle du système Rosalye est d’optimiser la mise en...

(1) La phase d’étude pour la réalisation d'une deuxième tranche de bassins est programmée pour 1997.

L’objectif de ces actions est de proposer une aide à la décision dans des contraintes de temps compatibles avec la nécessité d’une réaction rapide.

Une architecture informatique pour une modélisation en temps réel

Le système informatique, cœur du logiciel d’aide à la décision Rosalye, a besoin de deux grandes catégories d’informations : la description de l’épisode polluant sur le Rhône et les conditions hydrodynamiques transitoires précédant l’événement.

Les avancées de Rosalye dans le domaine de la modélisation, et dont la deuxième est sans doute la plus significative, sont d’abord :

• - le couplage de trois modèles mathématiques qui assurent la simulation du transfert d’une pollution depuis son déversement dans le Rhône jusqu’aux puits d’exploitation,
• - la possibilité d’alimenter ces modèles par des données en temps réel (2).

Le système est implanté sur un micro-ordinateur (PC) dont la tâche de fond (Figure 3) consiste à établir des requêtes auprès des automates du système de contrôle-commande du champ captant. Ces automates assurent, entre autres fonctions, celle de rapatrier des grandeurs physiques mesurées par des capteurs disséminés sur le site de captage. Les lectures sont réalisées à travers un serveur de communication qui assure la compatibilité avec le protocole ModBus du réseau d’automates et le PC.

Une fonction de scrutation assure en permanence la mise à jour des fichiers de paramètres indispensables à la modélisation, à raison d’une lecture toutes les 10 minutes.

Paramètres stockés lors des scrutations :

• - 162 états de marche/arrêt des groupes d’exhaure,
• - les 8 débits d’infiltration des bassins,
• - le niveau de la nappe sur 6 piézomètres représentatifs du champ captant,
• - le niveau du Rhône en deux points,
• - la température du Rhône.

Le système conserve sur disque dur un historique d’un mois de données. La fonction d’écriture sur ces fichiers n’est interrompue qu’au moment des requêtes pour la modélisation. Des algorithmes de contrôle et de validation des données sont intégrés au logiciel pour pallier et signaler toute déficience de mesure des capteurs in-situ.

L’utilisation du modèle d’écoulement souterrain passe par une phase routinière de mise à jour de l’état de référence. Cette phase consiste à procéder à une simulation en valorisant automatiquement les données réelles enregistrées par le système. La restitution de la piézométrie calculée est comparée à la réalité sur les 6 piézomètres choisis. Lors de l’utilisation de l’outil pour la définition de modalités de riposte, les résultats issus du calcul de la propagation du polluant dans la rivière sont discrétisés et répartis automatiquement sur les différentes mailles-rivières du modèle.

Le module de calculs du système Rosalye est en fait constitué de deux logiciels pré-

(2) La notion de temps réel est ici utilisée à l’échelle des phénomènes observés, l’unité est la minute.

existants mais utilisés ici interactivement :

• le modèle Disperso, développé par Anjou Recherche du groupe C.G.E., qui simule la diffusion d'un polluant dans le Rhône ;

• le logiciel Mosaic de Burgeap pour :

  - les calculs hydrodynamiques restituant la réponse de la nappe aux modifications des conditions aux limites du domaine et restituant le champ de pression de la nappe pour chaque pas de temps (équations de Darcy-Dupuit) ;

  - les calculs de transfert de masse traduisant la propagation d'une substance dissoute dans l'eau (loi de Fick).

Un exemple pratique d'utilisation du système Rosalye

Pour illustrer l'intérêt du système, nous détaillons un scénario de crise qui pourrait être un cas réel : le poste de contrôle de l'usine des eaux reçoit à 4 heures du matin une « alerte-pollution » : la nuit dernière, un camion-citerne s’est renversé accidentellement dans le Rhône au niveau du franchissement autoroutier du fleuve. Le gestionnaire du champ captant entreprend la démarche suivante.

Simulation de la propagation du polluant dans le Rhône

@ Il faut tout d’abord décrire aussi finement que possible les circonstances de l'accident :

  - lieu de l'accident : pont autoroutier de Sermenaz, soit à une distance d’environ 2 km en amont des premiers puits de Crépieux-Charmy ;

  - heure de l'accident : 2 h du matin ;

  - polluant mis en cause : citerne de 20 m³ de gas-oil.

@ Appel, à partir du menu général du système Rosalye, de la partie simulation de la propagation d'une pollution dans le Rhône. Il s’agit de la première phase de calculs : elle est primordiale car elle va permettre de caractériser les paramètres essentiels de la pollution. Il s'agit en fait pour le gestionnaire de disposer des réponses aux questions suivantes : Quels bras du Rhône seront concernés ? À quelle heure le front polluant arrivera-t-il au droit du champ captant ? Quelle sera sa durée ? Quelle sera la concentration du polluant au droit du champ captant ?

Les résultats de la simulation par Disperso sont restitués sous forme de pollutogrammes (concentrations en fonction du temps).

@ En fonction de ces résultats, l’exploitant construit un scénario de riposte, en définissant d’abord l’historique des pas de temps de la simulation. Il s'agit du découpage temporel du scénario : à chaque pas de temps défini (de durée variable) se rapporte la possibilité de modifier les paramètres.

À ce stade de la crise, le gestionnaire sait qu'il dispose de 4 heures pour remplir les bassins, qu'il devra impérativement stopper l’alimentation avant 12 h (passage de la pollution) et qu’il ne pourra pas les réalimenter avant 22 h.

Simulation de la propagation de la pollution dans le champ captant

@ Avant toute simulation hydrodynamique, le système valorise les connexions temps réel pour une initialisation de la piézométrie et une recherche sur l’état des équipements du champ captant (remplissage des bassins, marche/arrêt des groupes, niveaux du Rhône...).

@ L'utilisateur saisit le déroulement des ripostes envisagées :

- maintien du remplissage des bassins jusqu’à 12 h ;

- augmentation du débit dans le Rhône, donc des hauteurs d'eau dans le fleuve, suite à une annonce de crue ou à une chasse provoquée ;

- arrêt des pompages sur Charmy à partir de 10 h ;

- en contrepartie et pour le maintien d'un niveau de production optimal, renforcement des pompages sur les puits les mieux protégés par la barrière hydraulique sur Crépieux.

Conçu pour privilégier la rapidité de l’action dans un contexte de crise, le système fait appel à des interfaces de saisie graphiques : une vue générale du champ captant sur l'écran autorise une saisie rapide en cliquant sur un synoptique qui propose l’accès aux paramètres à modifier, la mise en route ou l'arrêt des groupes d’exhaure, la coupure de l'alimentation ou la reprise de l’alimentation des bassins, ainsi que les niveaux et la température du Rhône. Le système propose par défaut le dernier relevé temps réel effectué.

La figure 4 donne un aperçu d’un écran de saisie des modalités de riposte.

L'utilisateur est également assisté par un contrôle intégré de faisabilité des ripostes. Cette assistance comprend en particulier :

- les équations de vidange ou de remplissage des bassins ;

- la répartition automatique d’un volume de production global entre les différents puits maintenus en marche ;

- le calcul des hauteurs du Rhône dans la maille ceinturant le champ captant à partir

du débit total du moment.

❸ Une fois les modalités de riposte définies, la piézométrie est simulée en régime transitoire. Le résultat de cette étape sert de support au calcul de la propagation du polluant à travers les berges ou le fond de la rivière.

❹ En fonction du découpage temporel choisi, le système renseigne le modèle sur les concentrations de l'eau du Rhône : les pollutogrammes issus de la première étape sont discrétisés et répartis tronçon par tronçon. Cette opération longue et fastidieuse sur un modèle classique, est ici quasi instantanée.

❺ Il s’agit en dernière étape de calculer l'évolution, au cours du temps, de la concentration en polluant des eaux souterraines.

Restitution des résultats de la simulation

Le diagnostic de l'efficacité de la riposte envisagée est disponible sous différentes formes. Par visualisation de l’évolution de la concentration des eaux souterraines en un point du domaine en fonction du temps, on peut par exemple visualiser la concentration au droit d’un puits (valeur en g/l) et la comparer à la valeur maximale admissible pour les eaux brutes. L’établissement de cartes d’iso-concentration en polluant donne une vue générale anticipée du champ captant en un instant donné.

Nous présentons ici deux cartes de restitution produites à partir d'un même cas de pollution. En carte A, les conséquences d'une absence de riposte si l’alerte n’est pas donnée : le modèle prévoit la contamination de certaines zones de puits du champ captant. En carte B, une riposte adaptée : le gestionnaire a simulé un certain nombre de ripostes qui permettent de limiter l'entrée de la pollution dans la nappe. C’est bien entendu ce type de riposte qui sera retenu.

Une démarche itérative

Dans la pratique, pour un épisode de pollution donné, le gestionnaire ne se limitera pas à une seule simulation. Rosalye est conçu pour enchaîner plusieurs phases de simulation et permettre l’abandon total d'un scénario qui s’avérerait inutile ou aggravant, ou la modification d’une partie d’un scénario. La reprise d’un calcul à partir d’un pas de temps intermédiaire permet aussi d'ajuster plus précisément la riposte. Lors d'une crise, le suivi du bon déroulement de la riposte, grâce au maintien de l’acquisition de données pendant les phases de simulation rend possible la validation des hypothèses de propagation retenues par les stations d’alerte. En cas de dérive, un ajustement de tout ou partie des paramètres de la simulation reste très simple à opérer.

Il est à noter finalement qu’en dehors d’une période de crise, les modèles mathématiques du système peuvent être utilisés pour des simulations expérimentales qui permettent d’enrichir une bibliothèque de scénarios, sorte de catalogue de ripostes adapté aux crises les plus probables.

Conclusions

La mise en place du système Rosalye est la concrétisation des efforts importants consentis par la Direction de l'Eau pour assurer la qualité d’une eau distribuée quotidiennement dans l’agglomération lyonnaise.

Chronologiquement, la sécurisation de l’alimentation en eau résulte d'une démarche élaborée qui s’est construite en plusieurs années. Une bonne compréhension des phénomènes régissant l'alimentation en eau des puits du site de Crépieux-Charmy était indispensable. La description des relations entre le Rhône et la nappe exploitée a justifié des études lourdes. La mise en place de moyens automatisés de production, incluant la télétransmission des indicateurs d’état des équipements correspond également à une étape importante. Ce dispositif d'observation a permis la conception, puis la réalisation d'un dispositif original de protection par une barrière hydraulique dynamique, pour l'alimentation artificielle et contrôlée de la nappe. La simulation d’épisodes de pollution en temps réel résulte d'une démarche innovante par le développement d'un mode de renseignement des modèles mathématiques impliqués.

Enfin, la mise à disposition d'un outil opérationnel d'aide à la décision en cas de crise, associant une grande souplesse d'utilisation et une restitution de résultats fiables dans un contexte d’urgence permet aujourd'hui à l’exploitant et à la collectivité d’anticiper sur le contexte de vulnérabilité de la ressource en eau.

Au-delà de l'innovation technique pour la protection de la nappe alluviale du Rhône desservant l'agglomération, il importe de voir dans Rosalye la matérialisation d'une approche volontairement communautaire pour la préservation de l'eau. Des équipes de techniciens de la Collectivité et de l'exploitant, la Compagnie Générale des Eaux ont été associées depuis la définition du cahier des charges de Rosalye jusqu’à sa mise à disposition.

Cette appropriation est la meilleure garantie de l’efficacité de sa mise en œuvre comme outil de gestion.