Vers une diminution de la capacité des sources urbaines?

RÉSULTATS

Analyse des données historiques 

La figure 8 montre le développement du coefficient de ruissellement φ global du bassin d’alimentation en fonction du temps. Cette augmentation illustre l’urbanisation et l’imperméabilisation croissante de la ville. L’effet d’îlot de chaleur dT ajouté aux températures mesurées à Posieux, est également illustré dans cette figure 8 sur l’axe de droite. Une augmentation des températures de l’air de l’ordre de 1 °C est estimée comme conséquence de l’urbanisation.

Au niveau des mesures de températures de l’eau, on constate dans la figure 9 une augmentation de la température de l’eau des Pilettes de l’ordre de 2,5 °C sur la période considérée. Le rapport de l’OFEV «Effets des changements climatiques sur les eaux suisses» [11] fait mention d’une augmentation de 3 °C à Bale entre 1993 et 2016. Une corrélation entre la température de l’air et de l’eau de ruissellement, établie par Van Buren [12] et validée pour la Suisse [13] montre que cette évolution, en lien avec l’évolution de l’imperméabilisation du bassin versant urbain et l’augmentation de température estimée, est cohérente.

Les volumes annuels d’évapotranspiration V_E (fig. 10) sont à relier avec la prise en considération de la diminution des surfaces vertes (fig. 7) et du climat récent. Étant donnée la diminution des surfaces végétalisées A_V du bassin d’alimentation dans le temps, les volumes annuels de l’évapotranspiration V_E vont diminuer dans un premier temps, avant l’augmentation des températures qui se manifeste autour de l’année 2000. Le réchauffement climatique fait augmenter les volumes de l’évapotranspiration après l’année 2000, malgré la réduction des surfaces vertes.

Le bilan hydrique volumétrique selon l’équation 2 donne le volume annuel d’eau infiltré en profondeur V_I sur le bassin d’alimentation de la source. Des variations de l’infiltration en profondeur annuelle apparaissent (fig. 11), alors que les volumes annuels relevés à la source sont relativement constants (fig. 4). Ceci induit une variation du niveau de la nappe phréatique sans, toutefois, avoir d’influence majeure sur la source.
L’augmentation de la fréquence des années avec V_I ≈ 0 m³/a (fig. 11a: 1949, 2003, 2011, 2015, 2017 et 2018) où de faibles volumes sont infiltrés en profondeur représente une source d’inquiétudes. L’infiltration des eaux de ruissellement urbaine, comme exigées dans la loi sur les eaux (LEaux; RS 814.20) et soutenue dans les directives VSA sur la gestion des eaux en milieu urbain [14], afin de limiter le ruissellement de surface, semble jouer un rôle de plus en plus important afin de maintenir le niveau de la nappe phréatique.
Le cumul de V_S et V_I sur les 73 années observées (fig. 11b) conduit à une différence minime. Le bilan hydrique volumétrique, sur la base des données disponibles, est ainsi validé. Les incertitudes sur les données analysées sont faibles, autant pour les données cadastrales actuelles et historiques que pour les relevés effectués aux différentes stations météorologiques. L’incertitude la plus importante se situe sur la taille du bassin d’alimentation de la source, la capacité de rétention du sol, et les paramètres utilisés dans les différentes équations.
Le bilan hydrique historique montre que le développement urbain du bassin influence bel et bien le débit de la source. L’imperméabilisation des surfaces dans une première phase (1947 à 1980) et un changement des conditions climatiques dans une deuxième phase (dès 2000) ont causé une réduction des débits moyens fournis de 16,75 m³/h (1947 à 1999) à 13,09 m³/h (2000 à 2019). Ce modèle validé nous permet de tisser différents scénarios futurs pour la Source des Pilettes.

Evolution future de débits de la source 

Le bilan hydrique volumétrique futur de la Source des Pilettes se base sur le bilan hydrique volumétrique passé validé et des estimations climatiques et cadastrales futures.
Les variations cadastrales du bassin d’alimentation devraient être faibles durant les prochaines années. Les conséquences d’une éventuelle densification urbaine seront compensées par des mesures de rétention et infiltration locales, comme prévu par la LEaux. Ainsi, par hypothèse, le bilan hydrique volumétrique futur considère le bassin d’alimentation dans l’état cadastral de l’année 2019, sans évolution.
Les estimations climatiques futures se basent sur les scénarios climatiques CH2018 [15]. Sur cette base, les paramètres climatiques peuvent être extrapolés à partir d’une valeur de référence (moyenne des années 1981 à 2010). Concrètement, les précipitations, l’humidité relative, le rayonnement global et finalement la température évoluent dans le futur selon trois scénarios RCP (Representative Concentration Pathways):

• RCP8.5: Émissions de CO₂ non réduites. Ce scénario considère aucune mesure de protection du climat et une augmentation des émissions au même rythme qu’actuellement.
• RCP4.5: Scénario climatique intermédiaire qui prévoit une atténuation insuffisante des émissions pour atteindre l’objectif d’une augmentation de 2 °C maximum.
• RCP2.6: Scénario d’atténuation impliquant des réductions rapides et substantielles des émissions mondiales pour maintenir le réchauffement climatique en dessous de 2 °C.

Les données météorologiques futures des trois scénarios RCP sont estimées pour les années 2035, 2060 et 2085. Le bilan hydrique volumétrique futur permet ainsi de calculer – pour ces années – des volumes de précipitations V_P, de ruissellement V_R, d’évapotranspiration V_E, puis sur la base de l’équation 2, l’infiltration en profondeur V_I. Cette valeur de V_I est par hypothèse identique à celle du rejet de la source V_S, ce qui permet d’estimer le débit moyen futur aux trois périodes considérées.

Les trois scénarios climatiques RCP, illustrés dans la figure 12, indiquent que le volume futur des précipitations sur le bassin d’alimentation ne varierait que faiblement (fig. 12a). Pour les précipitations, les trois scénarios restent quasiment constants à l’exception d’une faible diminution pour le scénario RCP8.5 en 2085. Le volume de ruissellement (fig. 12b) ne variera également que faiblement, avec la même tendance que les précipitations futures.
L’évapotranspiration est le paramètre déterminant pour le bilan hydrique volumétrique futur, sensible aux augmentations des températures, du rayonnement solaire et de l’humidité. Une adaptation a été appliquée au rayonnement, deux variantes ont été élaborés pour l’évapotranspiration:

• La variante A suit strictement la procédure proposée par CH2018 [15] en considérant les données météorologiques de référence comme la moyenne entre 1981 et 2010. Elle est identique à l’approche des prévisions des précipitations et du ruissellement (fig. 12c).
• La variante B suit l’observation faite que le rayonnement dépasse de manière considérable, environ depuis l’année 2010, la moyenne de référence entre 1981 et 2010. Contrairement à la procédure de CH2018 [15], la moyenne entre 2007 et 2019 a été considérée comme valeur de référence du rayonnement, ce qui augmente l’évapotranspiration future. Les autres données météorologiques se réfèrent à la période standard entre 1981 et 2010 (fig. 12d).

L’effet des îlots de chaleur en milieu urbain est pris en compte avec une valeur dT = 1 °C pour le futur, en cohérence avec l’hypothèse qu’aucune variation cadastrale n’est considérée.

Selon la variante A, qui suit strictement CH2018 [15] (fig. 12c), les débits du futur devraient diminuer faiblement pour les cas RCP2.6 (87% de la valeur de référence en 2085) et RCP4.5 (82% en 2085; fig. 13a et tab. 3). Puisque les derniers débits relevés sont similaires aux débits du futur pour les cas RCP2.6 et RCP4.5, ce résultat reste abstrait. Pour le cas RCP8.5, les débits se verraient quant à eux significativement réduits jusqu’à atteindre 45% en 2085. La période entre 1981 et 2010 sert de référence, avec un débit moyen de 15,40 m³/h.
Avec la variante B, qui inclut une adaptation du rayonnement global (fig. 12d) et un débit de référence de 12,91 m³/h issu des années 2007 à 2019, la source connaîtrait une diminution prononcée de son débit dans le futur (fig. 13b et tab. 3). Pour les scénarios RCP2.6 et RCP4.5, une diminution du débit de la source à 78% et 71% sont estimées en 2085. La tendance implique que la source pourrait quasiment disparaitre autour de l’année 2100 avec le scénario RCP 8.5.

COMPENSATION DES EFFETS DES CHANGEMENTS CLIMATIQUES

Pour remédier aux conséquences des changements climatiques et à la diminution estimées des débits futurs de la Source des Pilettes (tab. 3), une augmentation des surfaces perméables peut être envisagée. Ceci permettrait d’augmenter l’infiltration de l’eau en profondeur pour compenser un probable déficit futur. Afin de tester cette hypothèse, les surfaces imperméabilisées de l’année 2019 ont été réduits d’un facteur R dans le bilan volumétrique futur. Les surfaces imperméables «supprimées» n’ont cependant pas été attribuées aux surfaces vertes afin de ne pas interagir avec l’évapotranspiration.
L’analyse de cette «dés-imperméabilisation» urbaine (fig. 14) montre qu’il est nécessaire de réduire les surfaces imperméables de 14,6% pour le scénario RCP8.5, de 5,0% pour le scénario RCP4.5 et de 3,6% pour le scénario RCP2.6, afin que la source maintienne sa capacité de l’année 2019 en considérant la variante B. La réduction des surfaces imperméables pourrait se faire par la collecte d’eaux de ruissellement non ou peu polluées (toitures p. ex.) et son infiltration en profondeur.
Ces résultats soulignent la nécessité d’une gestion des eaux urbaines intégrée, par exemple sur la base des concepts appliqués aux villes «éponge» [1, 16, 17]. Les surfaces à connecter à un système d’infiltration «en profondeur» (environ 27'000 m² pour le scénario RCP 4.5, sur la base de la surface imperméable de 535'440 m² en 2019) apparaissent réalisables dans le cadre de mesures préconisées par le PGEE.

SYNTHÈSE

Les aquifères souterrains subissent les conséquences de l’imperméabilisation des surfaces. En ville, ces impacts seront encore renforcés, comme on a pu le voir dans cette étude, par les changements climatiques. Il est donc essentiel de considérer la gestion des eaux urbaines en trois dimensions, en considérant également le réservoir «sol» comme un élément clé. C’est ce réservoir qui va notamment contribuer au soutient d’étiage de nombreuses sources et cours d’eau. Même si de plus en plus de sources sont «abandonnées» en milieu urbain par suite de conflits d’usage et des problèmes de contamination, leur importance reste cruciale dans le bilan hydrologique.

Une méthodologie très simple est présentée dans cet article pour établir un bilan volumétrique validé sur les données historiques nombreuses et sur une longue période. Les résultats obtenus apparaissent cohérents et permettent de tester différents scénarios d’évolution. Bien entendu des incertitudes sont présentes au niveau de la taille du bassin alimentant la source, la capacité de stockage d’eau de la terre végétale, des approches servant comme base des équations 4 et 6 et des scenarios climatiques CH2018 [15], cependant les tendances peuvent être considérées comme probables.

Le bilan du passé montre que le développement urbain du bassin influence le débit de la source. L’imperméabilisation des surfaces dans une première phase (1947 à 1980) et un changement des conditions climatiques dans une deuxième phase (dès 2000) ont causé une réduction des débits moyens fournis.

Les scénarios climatiques futurs montrent un impact prononcé sur les débits de la source. Sans aucune action entreprise au niveau du bassin d’alimentation, les débits vont diminuer, dans un ordre de grandeur qui dépend de notre capacité aujourd’hui à réduire nos émissions de gaz à effet de serre.
Une gestion urbaine favorisant l’infiltration des eaux montre les effets potentiels bénéfiques sur les eaux souterraines. La notion de «sponge city» se développe de plus en plus, mettant en avant le rôle de l’eau pour juguler les effets des changements climatiques. Notre étude montre cependant qu’il faut également favoriser l’infiltration en profondeur, pour autant que cela soit possible. En effet, toutes les mesures en lien avec le «verdissement» des surfaces urbaines vont considérablement favoriser l’évapotranspiration, avec un effet de refroidissement bienvenu en période de canicule, mais impactant la recharge des aquifères souterrains. Pour le cas de la Ville de Fribourg, la mise en place de sites d’infiltration sur le bassin d’alimentation devrait permettre, selon les hypothèses retenues, de contrebalancer efficacement les conséquences du changement climatiques. Les surfaces imperméables concernées, de l’ordre de 5%, peuvent être définies dans le cadre de mesures PGEE.
Un modèle thermodynamique reste nécessaire pour évaluer l’évolution des températures de la source pour les années futures. L’évolution de la qualité de l’eau n’est pas non plus considérée dans notre étude. Néanmoins, si les préceptes de protection des eaux lors de l’infiltration (présentés dans les directives VSA, [14]) sont appliqués correctement, le risque de contamination des aquifères souterrains devrait rester limité.
La méthodologie proposée pour le cas de la Source des Pilettes est certainement applicable à d’autres cas d’études en milieu urbain. Elle démontre l’effet bénéfique des exigences légales sur l’infiltration des eaux en milieu urbain.