Module Hydrologie: Méthode pour apprécier le degré de naturalité

Module Hydrologie: Méthode pour apprécier le degré de naturalité
du régime d’écoulement des cours d’eau1
Martin Pfaundler, Thomas Scheuner, Christina Dübendorfer
1. Introduction
L’objectif du système modulaire gradué [1] est le développement de méthodes standardisées
permettant d’analyser et d’apprécier l’état des cours d’eau en Suisse. À côté des modules existants ou
en développement consacrés aux domaines de la biologie, de l'écomorphologie, de la chimie et de
l'écotoxicologie, il manquait un module qui porte sur l’écoulement des eaux, autrement dit l’hydrologie,
pour aboutir à une appréciation intégrée de l’état des eaux.
Le module «Hydrologie – régime d’écoulement» au niveau R (région), ou HYDMOD-R, est conçu
comme une aide à l’exécution en faveur d’un régime d’écoulement proche de l’état naturel, objectif
visé par la législation relative à la protection des eaux, et doit permettre d’apprécier l’objectif «débit
suffisant» défini dans les «Idées directrices – Cours d’eau suisses» [2].
La méthode HYDMOD-R s’adresse aux services cantonaux concernés, en particulier à ceux de la
protection et de l’utilisation des eaux. Les bureaux d’ingénieurs ou d’experts, ainsi que les exploitants
d’installations, peuvent également l’utiliser.
Dans cet article, nous voulons présenter les principes et les éléments d’HYDMOD-R [3] qui est publié
en tant que projet sur le site Internet du système modulaire gradué (www.systeme-modulairegradue.ch > Hydrologie).
2. Situation initiale et principes
Conformément à la logique du système modulaire gradué (cf. l’article de Langhans et al. dans cette
édition), HYDMOD-R est conçu pour le niveau R. Il permet une analyse globale de tous les cours
d’eau d’un grand territoire (canton, région), avec un degré de précision et de travail investi par tronçon
de cours d’eaux étudié relativement limité.
HYDMOD-R représente une méthode pour décrire les conditions hydrologiques d’une région, en y
relevant les atteintes liées à l'utilisation des eaux et en évaluant ses effets sur le régime d’écoulement.
Le degré de naturalité du régime d’écoulement est apprécié à l’aide de neuf indicateurs.
Le module HYDMOD-R est également utile à l'évaluation de l’état écologique des cours d’eau. En
effet, le bon état écologique des eaux dépend de leur qualité, de leur écomorphologie et de
l’hydrologie. Par conséquent, en évaluant le degré de naturalité d'un régime d’écoulement à l’aide
d’HYDMOD-R, on obtient uniquement une indication de l’intensité avec laquelle la fonctionnalité
naturelle d’un cours d’eau se trouve compromise d’un point de vue strictement hydrologique.
HYDMOD-R suit une approche axée sur les atteintes. La plupart des perturbations hydrologiques sont
dues à des atteintes ponctuelles et directes liées à l'utilisation des eaux. L’avantage est que les
relevés peuvent se focaliser de façon précise sur les atteintes et les tronçons de cours d’eau
concernés. Les atteintes proviennent en grande partie des secteurs de l’utilisation de l’énergie
hydraulique et de la gestion des eaux urbaines.
3. Indicateurs d’évaluation du régime d’écoulement
La notion de «régime d’écoulement» désigne le comportement hydrologique d’un cours d’eau. Le
comportement hydrologique peut être subdivisé en trois régimes partiels: le régime des débits
moyens, le régime de crue et le régime d’étiage. Les paramètres qui les caractérisent ont chacun un
impact différent sur le milieu et peuvent être altérés par des atteintes. HYDMOD-R tient également
compte des effets de courte durée (éclusées, purges et vidanges, déversements d’eau de pluie) dus à
l’activité humaine.
Les indicateurs d’évaluation, sur lesquels HYDMOD-R se base, ont été choisis en tenant compte des
critères suivants:
•
la pertinence écologique de l’indicateur;
•
un vaste relevé des caractéristiques du régime d’écoulement;
1
Publié comme article dans le bulletin ARPEA No 237, Juillet 2008
•
le relevé des effets des atteintes liées à la gestion des eaux;
•
la faisabilité de l’analyse et le travail à fournir.
Ces considérations ont présidé au choix des indicateurs d’évaluation répertoriés au tableau 1.
Tableau 1: Les quatre parties du régime d’écoulement et les indicateurs d’évaluation correspondants.
Partie
Régime des débits moyens
Régime de crue
Régime d’étiage
Effets de courte durée
Indicateurs d’évaluation
1 Comportement des débits moyens
2 Fréquence de crue
3 Saisonnalité des crues
4 Débit d’étiage
5 Saisonnalité de l’étiage
6 Durée des périodes d’étiage
7 Phénomène d’éclusée
8 Purge et vidange
9 Déversements d’eau de pluie
4. Méthodologie
L’évaluation se déroule en quatre grandes étapes présentées à la figure 4.
4.1 Délimitation du système et inventaire des atteintes
La première étape consiste à délimiter le terrain d’étude. Idéalement, celui-ci devrait se rapporter à un
bassin versant hydrologique, lequel peut aussi s’étendre au-delà des frontières politiques ou
administratives. En effet, c’est le bassin versant qui représente l’espace dans lequel les atteintes se
répercutent sur le régime d’écoulement.
Pour dresser l’inventaire des atteintes, il faut commencer – guidé par une typologie suggérée (cf.
tableau 2) – par identifier et relever l’ensemble des atteintes susceptibles d’agir sur le régime
d’écoulement. Dans le cadre d‘HYDMOD-R, les atteintes désignent des mesures anthropiques de
nature constructive ou opérationnelle, qui agissent sur le régime d’écoulement.
Tableau 2: Typologie des atteintes
A)
Prélèvement d’eau (des eaux de surface)
A1
Prélèvement pour l’utilisation hydroélectrique
A2
Prélèvement d’eau potable et industrielle (utilisation
communale et industrielle)
A3
Dérivation de l’eau de refroidissement
A4
Prélèvement pour l’enneigement artificiel
A5
Prélèvement pour l’irrigation agricole
A6
Prélèvement pour l’exploitation piscicole
B)
Déversement d’eau (directement dans
des eaux de surface)
B1
Évacuation des eaux pluviales des routes
B2
Rejet de STEP
B3
Canalisation des eaux de pluie (réseau d’égout séparatif
sans bassin de retenue des eaux pluviales)
B4
Décanteur / bassin de retenue pour les eaux pluviales
(système unitaire ou séparatif de la canalisation)
B5
Déversement d’eau de refroidissement
B6
Transfert d’autres bassins versants
B7
Exploitation par éclusée des centrales hydroélectriques
B8
Restitution du débit turbiné des centrales
hydroélectriques (pas type B7)
C)
Accumulation, retenue et régulation de l’eau
(modifications du débit et du régime temporel)
C1 Lac de retenue pour la force hydraulique (réservoir
journalier/hebdomadaire/annuel)
C2 Lac de retenue polyvalent ou autre but (irrigation,
D)
Atteintes liées à la gestion de l’eau souterraine
D1 Prélèvement de sources
D2 Prélèvement d’eau souterraine pompée
D3 Alimentation d’une nappe souterraine
tourisme, enneigement,...)
C3 Régulation du débit des lacs naturels (écoulement des
lacs)
C4 Bassins de rétention contre les crues
E)
Purges et vidanges (gestion des sediments)
E1
Purge ou vidange des réservoirs de retenue
E2
Purge des dessableurs (prise d’eau, STEP, etc.)
Dans une prochaine étape, l’importance et la signification des atteintes identifiées seront examinées.
Pour HYDMOD-R, une atteinte est importante lorsqu’elle dépasse une certaine valeur minimale. On
évite ainsi de devoir consacrer par la suite trop de temps aux petites atteintes, qui sont souvent mal
documentées. L’étape suivante consiste à établir, dans le sens d’une considération des immissions, si
l’ampleur de l’atteinte est significative relativement aux conditions hydrologiques naturelles du cours
d’eau étudié. Les critères de signification mettent en rapport une grandeur qui caractérise l’atteinte
avec un paramètre hydrologique du régime d’écoulement naturel à l’endroit de l’atteinte. Lorsqu’une
atteinte reste inférieure au critère de signification défini, on admet qu’elle n’influence pas
significativement le régime d’écoulement et que celui-ci peut être classé, malgré l’atteinte, état naturel
ou proche de l’état naturel. Cette élimination préliminaire permet donc de réduire le travail à fournir
pour appliquer la méthode et représente une concession à l’applicabilité de la méthode.
A titre d’exemple, la figure 1 montre la représentation cartographique de l’inventaire des atteintes pour
le bassin versant du Valle di Blenio, TI, où la méthode a été testé (cf. chapitre 5).
Figure 1 : Représentation
cartographique de
l’inventaire des atteintes
pour le bassin versant du
Valle di Blenio, TI
4.2 Détermination des indicateurs d’évaluation
Dans une étape consécutive, les neuf indicateurs d’évaluation sont appliqués à toutes les atteintes et
les classes d’état pertinentes sont déterminées conformément au schéma à cinq classes du système
modulaire gradué. En fonction du type d’atteinte il n’est pas nécessaire de calculer tous les neuf
indicateurs d’évaluation. Certaines atteintes ne modifient que quelques caractéristiques du régime
d’écoulement. Ainsi, pour simplifier l’utilisation d’HYDMOD-R, l’évaluation peut se limiter à l’analyse
des indicateurs qui risquent d’être perturbés.
Pour n’exposer qu’un des neuf indicateurs, le chapitre suivant décrit brièvement l’exemple de
l’indicateur portant sur les éclusées.
4.2.1 Phénomène d’éclusée
On parle de phénomène d’éclusée lorsque le débit d’un cours d’eau subit des variations régulières se
produisant à intervalles rapprochés, caractérisées par de rapides augmentations et diminutions. Les
hydrogrammes marqués par des éclusées (qui peuvent être interprétées comme des impulsions)
suivent généralement un cycle journalier et sont surtout dus au fonctionnement des centrales à
accumulation gérées pour répondre à la demande en électricité. L’impact écologique du phénomène
d’éclusée réside dans le stress hydraulique provoqué par le débit d’éclusée (force du courant,
turbidité, dérive des macroinvertébrés, transport de matières solides, etc.) ainsi que la modification
continuelle des conditions du milieu naturel.
La règle de classement est visualisée dans figure 2 et se base sur les deux valeurs indicatrices
suivantes :
ƒ
le rapport débit d’éclusée / débit plancher, complété par un facteur de correction pour le taux
de montée et de descente du niveau d’eau durant l’éclusée, comme indicateur de l’intensité
de l’impulsion
ƒ
le rapport débit d’éclusée / débit annuel moyen de l’état de référence, complété par un facteur
de correction pour la surface du bassin versant, comme indicateur du stress hydraulique
pesant sur l’habitat aquatique.
Avec ces deux valeurs on peut entrer dans le schéma de la figure 2 pour déterminer la classe d’état.
Les explications détaillées pour la définition des limites entre les classes sont fournies dans [3].
Figure 2 : Règle de classement
pour l’indicateur « phénomène
d’éclusée »
4.3 Évaluation par tronçon
Après avoir calculé les différents indicateurs d’évaluation, on dispose d’une évaluation ponctuelle aux
endroits des atteintes. Il s’agit dans un deuxième temps de transposer cette information ponctuelle au
réseau hydrographique, qui, pour ce faire, est subdivisé en tronçons avec des conditions hydrologique
similaires.
Pour évaluer les tronçons situés en aval d’atteintes, on tient compte des résultats de l’évaluation des
atteintes significatives en amont, ainsi que les bassins intermédiaires non altérés.
4.4 Évaluation globale
Suite à l’évaluation par tronçon, les évaluations des neuf indicateurs se présentent sous forme
d’évaluations individuelles pour tous les tronçons étudiés. Cependant, le système modulaire gradué
exige une évaluation globale par module, permettant une rapide vue d’ensemble de l’état des cours
d’eau. En agrégeant les neuf évaluations individuelles, on peut obtenir une évaluation globale par
tronçon de cours d’eau. La règle d’agrégation définie, intègre aussi bien la pire des neuf évaluations
individuelles (« worst-case ») que la somme de toutes les évaluations individuelles.
5. Etude de cas Valle de Blenio, TI
Pendant le développement de HYDMOD-R, la méthode a été testée pour le Sitter (Ct. SG et les deux
demi-cantons d’Appenzell) et pour le Brenno (Valle di Blenio, Ct. TI). Ci-après quelques résultats de
l’application de HYDMOD sont illustrés pour le Valle di Blenio, qui est caractérisé par maintes atteintes
liées à l’exploitation hydroélectrique (prélèvements et dérivations d’eau, réservoirs et centrales
hydroélectriques). La figure 3 montre la représentation cartographique des résultats pour une
sélection d’indicateurs ainsi que pour l’évaluation globale ressortant de l’application de l’outil
HYDMOD-GIS.
Figure 3 : Etude de cas Valle di Blenio, TI. Résultats pour des indicateurs individuels de HYDMOD-R. En haut
à gauche : Débit d’étiage. En haut à droite : Saisonnalité d’étiage ; En bas à gauche : Fréquence de crue. En bas
à droite : Evaluation globale.
Pour la plupart des tronçons, l’impact de l’exploitation hydroélectrique sur l’indicateur « débit d’étiage »
est fort, avec une dominance des classes d’état entre 3 et 5. Seulement pour la rivière Orino dans la
vallée Malvaglia l’appréciation est meilleure. Dans la partie supérieure de la vallée, directement en
aval du prélèvement, le cours d’eau se trouve dans la classe 5. Mais l’influence du prélèvement se
réduit rapidement de sorte que la rivière est classée naturelle à l’embouchure dans le lac de
Malvaglia. L’impact négatif du réservoir est évident et s’étend jusqu’à la jonction avec le Brenno à
Malvaglia. L’influence des prélèvements dans le Valsoi sur le classement de l’indicateur Q347 n’est pas
fort et la classe 1 est attribuée pour tout le tronçon parce que la rivière Valsoi n’a pas de débit
permanent (Q347 = 0 aussi pour l’état naturel). Néanmoins, y a-t-il un impact des prélèvements sur le
régime d’étiage bien visible pour les indicateurs « saisonnalité de l’étiage » et « durée des périodes
d’étiage ».
Les résultats de l’indicateur « saisonnalité de l’étiage » sont similaires à celles de l’indicateur débit
d’étiage, bien que l’impact soit un peu moins fort. La raison en est que sous conditions naturelles, les
périodes d’étiages ont lieu principalement entre janvier et mars et que cette période s’étend avec
l’exploitation hydroélectrique à six mois (octobre à mars). Ceci tant pour les prélèvements d’eau sans
dotation que pour ceux avec dotation.
Concernant la « saisonnalité des crues », les résultats sont bien différents. Presque tous les tronçons
évalués appartiennent à la classe 1, ce qui correspond à un état naturel ou proche de l’état naturel.
Cela s’explique pour deux raisons : D’une part tous les prélèvements ont une capacité limitée de
captage maximale avec la conséquence qu’au-delà de cette capacité le débit lors d’une crue reste
dans la rivière. D’autre part les réservoirs n’engendrent pas de crues artificielles qui pourraient
modifier la saisonnalité des crues.
Cependant, l’effet des prélèvements sur le régime de crue est saisi dans cet exemple par l’indicateur
« fréquence de crue ». Les résultats sont tels que l’impact des atteintes est fort directement à l’endroit
de l’atteinte, toutefois se réduisant rapidement en aval grâce aux tributaires naturels, avec la fleuve
principale, le Brenno, étant caractérisé avec classe 3.
Finalement, l’évaluation globale donne un aperçu de l’état du régime d’écoulement dans le bassin
versant. Dans ce cas-là, l’évaluation globale est marquée par les résultats des indicateurs du régime
d’étiage. Directement en aval des atteintes, les décalages du régime naturel sont les plus évidents.
Bien que ce « signal brouilleur » soit mitigé en aval des atteintes par des affluents de cours d’eau noninfluencés, la partie inférieure du Brenno jusqu’ à la jonction avec le fleuve Ticino est classée
« fortement atteint » (classe 4).
Dans la représentation cartographique de l’évaluation globale, les tronçons à débits résiduels sont
caractérisés avec une hachure spécifique.
6. Le «paquet» HYDMOD-R
L’utilisation d’HYDMOD-R nécessite divers paramètres hydrologiques. Cependant, dans de nombreux
cas, les données disponibles ne sont pas suffisantes. Il a donc fallu élaborer une série de bases
hydrologiques et de méthodes d’estimation parallèlement au développement de la méthode. Ces
bases et méthodes font partie intégrante d’HYDMOD-R. Enfin, quelques outils électroniques ont été
développés et mis à disposition pour l’application assistée par ordinateur, pour la standardisation et
pour faciliter le travail. Ainsi, il faut considérer HYDMOD-R comme un paquet. Les outils mentionnés
contiennent:
•
HYDMOD-Soft: calcul d’une sélection de paramètres hydrologiques sur la base de données
brutes, notamment des débits journaliers moyens.
•
HYDMOD-Tools: calcul et classement des indicateurs d’évaluation, estimation indirecte des
paramètres hydrologiques.
•
HYDMOD-Inventory: modèle d’inventaire pour le relevé des atteintes et pour l’enregistrement des
résultats de l’évaluation des atteintes, y compris représentation de l’évaluation sous forme de
tableaux.
•
HYDMOD-GIS: modèle de données, jeu de symboles et application SIG (ESRI Software) pour le
traitement cartographique des résultats de l’évaluation.
•
HYDMOD-Assess: modèle d’enregistrement des résultats de l’évaluation pour les tronçons de
cours d’eau, y compris fonctionnalité de l’agrégation pour l’évaluation globale et la représentation
de l’évaluation sous forme de tableaux.
Figure 4: Structure du module «Hydrologie – régime d’écoulement» au niveau R (région)
7. Conclusion et perspective
Le module «Hydrologie – régime d’écoulement» examine différents aspects concernant les altérations
du régime d’écoulement et par conséquent présente une idée globale très nuancée du degré de
naturalité d’écoulement des eaux. La méthode donne une vue d’ensemble régionale des atteintes
importantes pour le régime d’écoulement dans un bassin versant. Les impacts sont quantifiés et les
déficits de l’état des eaux sont appréciés et représentés dans une perspective hydrologique.
HYDMOD-R ne propose toutefois pas des mesures.
L’utilisation du module HYDMOD-R exige un certain travail préalable pour se familiariser avec la
méthode, la démarche et les divers outils. Cet effort dépend beaucoup du nombre et de la complexité
des atteintes (captage et obtention d’information) dans le bassin, ainsi que de la disponibilité des
données (déduction des paramètres hydrologiques nécessaires). Les outils électroniques sont mis à
disposition pour simplifier le travail à fournir. La méthode elle-même demande des connaissances
techniques en hydrologie, gestion et écologie des eaux.
Les cercles intéressés sont invités à expertiser et tester le projet de la méthode jusqu’à l’automne
2009. Avec les feed-back et les expériences faites par des applications concrètes, la méthode sera
ensuite remaniée et publiée définitivement.
Les outils électroniques et d’autres sous-produits, développés dans le cadre d’HYDMOD-R, peuvent
aussi être employés pour d’autres questions hydrologiques. Conjointement avec le projet de la
méthode, ils sont gratuitement disponibles sur le site Internet www.systeme-modulaire-gradue.ch >
Hydrologie.
Bibliographie
[1] OFEFP (1998): Système modulaire gradué. Méthodes d’analyse et d’appréciation des cours d’eau en Suisse.
Informations concernant la protection des eaux n° 26. Berne (ou : www.systeme-modulaire-gradue.ch)
[2] OFEFP et OFEG (2003): Idées directrices - Cours d'eau suisses. Pour une politique de gestion durable de nos eaux.
[3] Pfaundler M. et al. (2007): Méthodes d’analyse et d’appréciations des cours d’eau. Hydrologie – régime
d’écoulement. L’environnement pratique. Projet d’octobre 2007. Office fédéral de l’environnement, Berne, 104 p.