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Site expérimental baptisé SAP (Secteur atelier pluridisciplinaire)
Le LCPC a développé, depuis dix ans, des expérimentations sur plusieurs sites de mesures en réseau d’assainissement de l’agglomération nantaise. En janvier 2006, un nouveau secteur de mesures a été instrumenté par le Division Eau et Environnement : le Secteur atelier pluridisciplinaire. Son élaboration s’est faite dans le cadre des projets de l’IRSTV (Institut de recherche en sciences et techniques de la ville), une fédération de recherche CNRS.
Le Secteur atelier pluridisciplinaire vise à mesurer les impacts des phases d’urbanisation sur les flux d’eau, de polluants et d’énergie. L’objectif final est une meilleure gestion de l’eau et des polluants en ville. Pour cela, il faut établir des bilans à long terme de ces flux afin de développer des modèles intégrés et de constituer des bases de données pour la recherche.
De plus, ce projet favorise la mise en commun des moyens expérimentaux et la création de complémentarités entre les différentes équipes du projet IRSTV. Il s’agit d’un projet pluridisciplinaire alliant hydrologie, chimie, physique de l’atmosphère et sciences humaines et sociales. Le SAP est également le support de campagnes expérimentales coopératives de durée limitée.
L’instrumentation est réalisée en collaboration avec le Laboratoire de Mécanique des fluides de l’Ecole Centrale de Nantes (pour l’aspect climatologie) et le Laboratoire de Planétologie et de Géodynamique de l’université de Nantes (pour le volet télédétection).
Les objectifs du Secteur atelier pluridisciplinaire
Unité responsable de l’exploitation :
Division Eau et Environnement (Eau)
Contact :
Secteur d’activité :
Le SAP comprenait initialement le secteur Est de l’agglomération nantaise, entre l’Erdre et la Loire. Il intègre ainsi une partie du centre dense de l’agglomération, des ensembles d’habitation collectifs, des zones d’activité et des zones en cours d’urbanisation dont certaines font l’objet. Dans la perspective de la participation du LCPC à l’OSUNA, l’Observatoire des sciences de l’Univers de Nantes Atlantique, l’aire d’expérimentation a récemment été étendue au bassin versant de la Chézine.
Localisation du SAP
- Année de mise en service : Le Secteur atelier pluridisciplinaire a vu le jour à Nantes en 2006, à partir de sites expérimentaux déjà existants.
Un exemple d’application marquant : Étude de l’hydrologie du bassin du Pin sec
Étude expérimentale :
L’hydrologie du bassin du Pin sec est étudiée à travers les variations du débit dans le réseau d’eaux pluviales, d’une part, et l’évolution du niveau piézométrique d’autre part.
- Mesures de pluie, de débit et de qualité de l’eau
La pluie est mesurée en continu au pas de temps de la minute, au moyen d’un pluviomètre à auget ; les données sont comparées à celles de 4 pluviomètres situés sur le SAP afin de détecter les erreurs et d’estimer la variabilité spatiale de la pluie.
Le débit est mesuré en continu à l’exutoire des réseaux EP et EU. Des seuils (figure 1) ont été installés dans chacun des réseaux afin d’une part, d’augmenter la hauteur d’eau lors des faibles débits, et d’autre part d’avoir une hauteur d’eau suffisante pour permettre la mesure de la turbidité.
Un préleveur automatique asservi au débit (figure 2) permet l’échantillonnage en continu dans le réseau EP. Les échantillons sont collectés dans des flacons en verre de 10 L. Les analyses sont effectuées sur des moyens mensuels ; les échantillons sont récupérés après chaque événement pluvieux puis filtrés à 0,45 µm (séparation des phases dissoute et particulaire) avant d’être stockés à 4°C. La turbidité et la conductivité sont également mesurées en continu.
Dans le réseau EU, les prélèvements sont effectués au cours de campagnes ponctuelles de 24 heures ; des campagnes de temps de sec et de temps de pluie sont prévues. Les échantillons sont collectés dans des flacons en polyéthylène de 1 L, filtrés à 0,45 µm puis stockés à 4°C ; les analyses sont effectuées très rapidement.
Dans chaque cas (EP et EU) les paramètres de pollution globaux : pH, conductivité, matières en suspension (MES), carbone organique total (COT) sont mesurés selon les normes AFNOR pour la qualité des eaux. La demande chimique en oxygène (DCO) est mesurée sur les EU. Les métaux (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn) sont analysés par absorption atomique sur phases dissoute et particulaire (NF EN ISO 15586 et 11885) ; les limites de quantification (en µg L-1) sont 0,1 pour Cd, 1 pour Pb, 2 pour Cu, 0,5 pour Cr, 8 pour Zn et 2 pour Ni. Le phosphore total (P (NF EN ISO 11 885), l’azote Kejdhal (NF EN 25663), 15 HAP (hydrocarbures aromatique polycycliques) répertoriés dans la liste de l’Agence pour la Protection de l’Environnement Américaine (US-EPA), (NF EN ISO 17993), les hydrocarbures totaux (NF EN ISO 9377-2), le diuron (extraction liquide/solide, analyse chromatographie en phase liquide), le glyphosate et l’AMPA (dérivation puis dosage HPLC/spectrofluorométrie) sont également mesurés.
- Hydrogéologie
Un suivi en continu de la nappe est réalisé par l’intermédiaire de 11 piézomètres installés sur le bassin versant du Pin sec ou à proximité immédiate ; les capteurs permettent l’acquisition des données toutes les 20 minutes (figure 3).
L’objectif de cet équipement est de suivre les variations du niveau de saturation du sol en continu. Ces données permettent de déterminer la variabilité spatiale du niveau de saturation du sol et d’en déduire les principaux flux d’eau souterraine sur cette zone. Ce type de données est nécessaire pour établir un bilan quantitatif des flux d’eau dans cette zone.
Un site de mesures hydrodynamiques a également été installé afin de déterminer les flux verticaux dans le sol au niveau de la proche surface. Ce site est équipé avec des sondes de teneur en eau et des tensiomètres qui permettent d’estimer l’humidité du sol et le potentiel hydrique en différentes profondeurs allant de 50 cm à 1,50 m.
- Micrométéo
Une station météorologique est installée avec le pluviomètre sur le toit de l’immeuble du site central du quartier Pin sec (figure 4), permettant la mesure locale de la vitesse et la direction du vent (anémomètre à hélice), la pression atmosphérique, le rayonnement solaire direct et diffus (pyrradiomètre, et pyrradiomètre à couronne), le rayonnement infrarouge incident (pyrgéomètre), la température et l’humidité.
En bordure du bassin versant de Pin sec un mât télescopique a été équipé pour mesurer les flux turbulents de chaleur sensible, de vapeur d’eau et de concentration de CO2 à une altitude de 27 m au dessus du sol, les composantes de la turbulence à deux niveaux (27 et 18 m). Des capteurs de température et d’humidité permettent de mesurer leur profil vertical. Les flux aérodynamiques sont évalués par la méthode des corrélations des fluctuations turbulentes en combinant les signaux haute fréquence (100 Hz) d’un anémo-thermomètre ultrasonique Metek USA-1 et d’un capteur de concentrations de CO2 et H2O par absorption infrarouge en volume ouvert Li-COR 7500. Le second anémo-thermomètre Metek permet de comparer le flux de chaleur mesuré au niveau de 18 m.
Fig. 1 : Mise en place d’un seuil dans le collecteur d’eaux pluvialesFig. 2 : Installation du préleveur dans le collecteur d’eaux pluvialFig. 3 : 
Fig. 4 : Pluviomètre et mât météo sur un toit du SAP
Exemple de résultats :
Les premiers résultats concernant les mesures de micropolluants (métaux, pesticides, HAP) montrent que :
? Le zinc, le cuivre, le plomb et le glyphosate sont les principaux polluants véhiculés dans le bassin versant du Pin sec ;
? les pratiques de désherbage sont la principale source d’herbicides ;
? La contribution des retombées atmosphériques à la pollution ; du bassin versant concerne principalement le nickel, le cuivre et le chrome ;
? Les toitures sont une source de zinc, cadmium et plomb ;
? Les rapports entre HAP de même que les observations au microscope électronique à balayage (MEB) mettent en évidence la pollution apportée par le trafic routier (figure 5).
Fig. 5 : Cendres volantes formées lors de la combustion des carburants et des huiles de moteur
En ce qui concerne les mesures micro météorologiques, le mât
est opérationnel depuis fin Mars 2008 (figure 4). Les flux de chaleur sensible
sont mesurés à 2 hauteurs : 26 et 21m, le flux de chaleur latente à 26 m.
Pour l’analyse de ces données, on utilise le modèle de footprint de Schmid
pour identifier les zones sources. Dans une première étape, un intérêt
particulier a été porté aux flux de chaleur latente mesurés quand les zones sources étaient situées sur le quartier du Pin sec pour les comparer aux flux d’évaporation calculés avec le modèle de sol SM2U et le modèle hydrologique URBS.
Les épisodes étudiés sont pour l’instant trop réduits en nombre pour avancer des conclusions significatives.
L’hydrologie du bassin versant du Pin sec est étudiée à travers les variations du débit dans le réseau d’eaux pluviales, d’une part, et l’évolution du niveau piézométrique d’autre part. La variation de la hauteur d’eau correspondant au débit de base (appelée hauteur de base) est visible sur la figure 6 pour l’année 2007, les événements pluvieux élevant le niveau à plus de 25cm ayant été retirés. L’enregistrement de la figure 6 montre la variation de la hauteur de base entre l’été et l’hiver passant respectivement de 13cm à 18cm, le débit de base varie par conséquent de 3 à 5 m3/h durant ces mêmes périodes. La forte relation entre la hauteur de base et le niveau de saturation situé à proximité de l’exutoire est attestée par la figure 8 (R²=0,88). L’écoulement d’eau souterraine est donc un facteur engendrant la présence d’eau dans le réseau d’eau pluviale même sur certaines périodes de temps sec. Les travaux de modélisation du fonctionnement de la zone saturée sont effectués afin de voir si ce comportement observé peut être reproduit avec le modèle numérique Modflow.
Fig. 6 : Hauteur à l’exutoire dans le réseau d’assainissement d’au pluviale en 2007Fig. 7 : Comparaison entre la hauteur d’eau dans le réseau d’assainissement et le niveau de saturation en 2007 (hors événements pluvieux)
Pour ce qui est de la télédétection hyperspectrale, une campagne de mesures aéroportée a été effectuée au cours de l’été 2008, marquant le début de recherches sur l’identification de la nature des surfaces urbaines. Il apparaît par exemple, que deux surfaces de couleur verte, pelouses naturelle et artificielle, ont des signatures spectrales très différentes (figure 8).
Fig. 8 : Spectre de deux pelouses
