# Apports de la biogéochimie pour l'évaluation d'un modèle hydrologique distribué en milieu péri-urbain

Olivier Grandjouan, Flora Branger, Matthieu Masson

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## To cite this version:

Olivier Grandjouan, Flora Branger, Matthieu Masson. Apports de la biogéochimie pour l'évaluation d'un modèle hydrologique distribué en milieu péri-urbain. Journées Doctorales en Hydrologie Urbaine 2022, Oct 2022, Villeurbanne, France. hal-04868823

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# Apports de la géochimie pour l'évaluation d'un modèle hydrologique distribué en milieu péri-urbain

Grandjouan O*, Branger F., Masson M.

1. INRAE, UR Riverly, Centre de Lyon-Villeurbanne, F-69625, Villeurbanne, France,
olivier.grandjouan@inrae.fr

2. INRAE, UR Riverly, Centre de Lyon-Villeurbanne, F-69625, Villeurbanne, France,
flora.branger@inrae.fr

3. INRAE, UR Riverly, Centre de Lyon-Villeurbanne, F-69625, Villeurbanne, France,
matthieu.masson@inrae.fr

**Résumé court** : Les modèles hydrologiques distribués sont des outils prometteurs pour décomposer le débit d'un bassin versant péri-urbain en différentes contributions, mais sont confrontés à des difficultés dans la validation des résultats. Les modèles de mélange géochimiques apparaissent comme efficaces pour valider les résultats d'un modèle hydrologique à partir de données de terrain. À partir des empreintes géochimiques des différentes sources (compartiments hydrologiques, occupations ou usage de sols) et du mélange des eaux prélevées à l'exutoire, il est possible de calculer la contribution des sources à l'écoulement total en appliquant un modèle de mélange. Cette méthode est appliquée au bassin versant du Ratier dans l'ouest Lyonnais, afin d'évaluer les résultats du modèle hydrologique distribué J2000P. Les résultats préliminaires ont permis de différencier deux composantes souterraines principales, mais également d'ouvrir sur la possibilité de décomposer le ruissellement de surface et de subsurface en de plus nombreuses sources grâce à la diversité des occupations et usages des sols du bassin péri-urbain.

**Mots-clés** : décomposition du débit ; modèle de mélange ; sources de contamination ; occupation des sols ; modélisation distribuée

## Introduction

Les chemins de l'eau peuvent être largement modifiés en milieu péri-urbain. La diversité des paysages (naturel, agricole, urbain) et la présence de nombreux éléments anthropiques (réseau d'assainissement, surfaces imperméables...) ont un impact important sur les processus hydrologiques (Jacobson, 2011). La modélisation des écoulements au sein de ces bassins peut alors s'avérer complexe à mettre en place.

Les modèles hydrologiques distribués apparaissent comme des outils prometteurs pour représenter les différents chemins de l'eau et composantes hydrologiques (surface, subsurface, souterrain par exemple) dans un tel contexte (Fuamba *et al*, 2019). Ils ont cependant une structure complexe et font appel à de nombreux paramètres, qui rendent leur calibration et validation délicates (Beven, 2006). Au final, un débit total correctement modélisé à l'exutoire ne suffit pas à établir que le modèle donne "les bonnes réponses pour les bonnes raisons" (Kirchner, 2006).

Différentes sources peuvent apporter une contribution hydrologique au débit total. Ces sources peuvent être caractérisées par des compartiments hydrologiques (souterrain, subsurface, surface) ou des occupations ou des usages de sols particuliers (forêt, urbain, agricole...). Elles peuvent apporter une contribution diffuse (pâturage, culture...) ou ponctuelle (surverses de réseau d'assainissement). Il est aujourd'hui admis que la composition physico-chimique des eaux peut apporter des informations pertinentes sur la décomposition de l'écoulement total (Birkel & Soulsby, 2015). L'utilisation de ces données à travers des modèles de mélange est une méthode couramment utilisée pour estimer les contributions de différentes sources (Ladouche *et al.*, 2001). Cette approche permet d'estimer une décomposition spatiale du débit observé à partir des paramètres géochimiques mesurés sur le terrain.

Aujourd'hui, cette approche par empreinte géochimique n'a pas été mis en regard avec les modèles hydrologiques distribués, alors qu'elle présente un réel potentiel dans l'évaluation de ces modèles. L'objectif de cette étude est de développer une méthode d'évaluation d'un modèle hydrologique distribué à partir de

<footnote>* auteur correspondant</footnote>
données géochimiques issues de prélèvements d'eaux de surface. Cette méthode s'articule selon les étapes suivantes :

1. Implémenter un module de décomposition spatiale des débits dans un modèle hydrologique distribué, permettant de garder en mémoire l'origine de l'eau et de connaître les contributions spécifiques des sources identifiées au volume total ;

2. Identifier les sources et construire des empreintes géochimiques propres aux différentes sources identifiées sur le bassin ;

3. Appliquer un modèle de mélange pour estimer la contribution de ces sources à l'écoulement total, pour de prélèvements issus du mélange des eaux à l'exutoire;

4. Évaluer les résultats du modèle hydrologique distribué par comparaison des contributions simulées avec les contributions calculées à partir des modèles de mélanges géochimiques.

La méthodologie est appliquée au bassin versant du Ratier, sous-bassin de l'Yzeron qui est un site de l'Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU), et au modèle hydrologique distribué J2000P, développé à INRAE Riverly.

## Matériel et méthodes

Le bassin versant du Ratier est situé dans l'ouest Lyonnais et s'étend sur une superficie d'environ 19,8 km². La géologie du bassin est quasi-uniforme avec des gneiss sur l'ensemble de la surface à l'exception d'un dépôt de colluvion à l'exutoire du bassin, marqué par la présence d'un aquifère local. L'occupation de sol est hétérogène et représentative d'un milieu péri-urbain (forestier, agricole, urbain).

Les données géochimiques disponibles sur ce bassin sont issues d'un suivi mensuel de qualité des eaux entre 2017 et 2019 comprenant des analyses en paramètres majeurs, métaux dissous et paramètres microbiens, pour les stations du Mercier, un affluant du Ratier, et de St-Genis, à l'exutoire du bassin. Actuellement, des campagnes supplémentaires de prélèvement lors d'évènements hydrologiques sont en cours sur ces deux stations, ainsi que des prélèvements des eaux provenant des sources identifiées.

Le modèle hydrologique distribué J2000P (Labbas, 2015) est un modèle adapté aux bassins versants péri-urbains qui prend en compte les éléments anthropiques tels que les réseau d'assainissement, les déversoirs d'orage et les surfaces imperméables. Dans l'objectif de connaître la contribution d'une source à l'écoulement total, un module de décomposition spatiale des débits a été mis en place, permettant de conserver en mémoire l'origine spatiale des eaux en tout point du réseau hydrographique et à chaque pas de temps. Le module a été testé dans différentes conditions (débit constant ou variable, traçage d'un ou de plusieurs sous-bassins simultanément) et implémenté dans le modèle J2000P.

La première étape pour l'évaluation de ce modèle consiste en l'identification des sources présentes sur le bassin. Des prélèvements d'eau représentatifs de ces sources sont effectués, ainsi que des prélèvements en aval du bassin afin d'échantillonner le mélange des eaux lors d'évènements hydrologiques contrastés. Les paramètres majeurs, métaux dissous et paramètres microbiens sont analysés pour l'ensemble des échantillons. Au moment de l'écriture de ce résumé, les prélèvements des sources et des évènements restent en cours. Les résultats présentés portent donc seulement sur les données issues du suivi mensuel des stations du Mercier et de St-Genis.

A partir de ces données, une étude des variations des concentrations en ions majeurs et métaux dissous est établie afin d'identifier les principales sources contribuant au débit. Une analyse de corrélation est appliquée pour regrouper les paramètres aux comportements similaires. Des indicateurs sont calculés (débit à la veille, cumuls de pluie, indice de précipitation antérieure...) et catégorisés (faible, intermédiaire, fort) afin de relier les concentrations à la dynamique hydro-météorologique du bassin grâce à une analyse en composante principale (ACP). Les tendances observées sur l'ACP sont vérifiées avec des tests non paramétriques de Kruskal-Wallis. Des concentrations théoriques sont assignées à chaque source pour les éléments les plus représentatifs. A partir de ces concentrations, un modèle de mélange (package R *nnls*) est appliqué afin de décomposer le débit total et d'estimer la contribution des sources identifiées. Cette méthode se base sur le principe de conservation des débits et des espèces chimiques.

Les résultats obtenus par le modèle de mélange sont comparés aux résultats simulés par le modèle J2000P pour les jours correspondant aux prélèvements mensuels.
# Résultats et discussion

## Variation des concentrations selon les indicateurs hydro-météorologiques

L'analyse de corrélation met en avant un groupe de paramètres majeurs ($Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $HCO_3^-$ et $SO_4^{2-}$) et de métaux dissous (Ba, Li, Mo, Sr et U) corrélés positivement et significativement entre eux. L'ACP indique une opposition entre ce groupe de paramètres et l'indicateur de débit à la veille du prélèvement (figure 1), avec des concentrations significativement supérieures lorsque le débit à la veille du prélèvement est faible. En supposant que la concentration du débit à l'étiage est représentatif de la concentration des eaux souterraines, ce groupe de paramètres peut être considéré comme représentatif de la nappe. A l'inverse les concentrations en COD, Cr, Cu et Ni semblent être plus élevées avec des conditions humides sur le bassin. Ces paramètres peuvent être assimilés à un écoulement de subsurface. Les prélèvements n'ayant pas été effectué durant des évènements pluvieux, la composante d'écoulement de surface rapide est considéré comme absente de l'analyse.

## Variation des concentrations selon les sites de prélèvement

Les échelles de concentrations diffèrent pourtant entre la station du Mercier et celle du Ratier à St-Genis. En ne considérant que les échantillons pour lesquels le débit de la veille est faible (donc les plus représentatifs de la composante souterraine), les concentrations en $Ca^{2+}$, $HCO_3^-$, $Mg^{2+}$, Sr, Ba et Li sont significativement supérieures à St-Genis par rapport au Mercier. Ce contraste s'observe particulièrement pour Li dont les concentrations pour ces prélèvements sont de l'ordre de 15 µg/L à St-Genis contre moins de 1 µg/L au Mercier. Les eaux souterraines sont donc marquées par deux profils géochimiques différents, liés au contraste géologique entre les gneiss et les colluvions présents directement en amont de la station de St-Genis.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1. Résultats de l'ACP. PDD : débit à la veille du prélèvement, AR5 : Cumul de pluie sur 5 jours, API : indice de précipitation antérieure, TW : température journalière moyenne de l'eau</figcaption></figure>

## Application d'un modèle de mélange pour décomposer le débit total

L'analyse des données mensuelles permet de décomposer le débit à l'exutoire en 3 sources : l'aquifère des colluvions (marqué par des fortes concentrations en Li), la composante souterraine des gneiss (marquée par $Ca^{2+}$, Sr...) et les eaux de subsurface (marquées par COD, Cu...). Un modèle de mélange est appliqué pour décomposer le débit selon ces trois contributions. Ces résultats sont comparés aux simulations effectuées à partir du modèle hydrologique J2000P et du module de décomposition spatiale des débits (figure 2). Pour cette simulation, le volume suivi par le module de décomposition spatiale correspond à celui provenant du brin de rivière drainant l'aquifère des colluvions. Le modèle J2000P semble surestimer fortement la contribution de la composante souterraine comparé au modèle de mélange géochimique. Ces résultats illustrent l'incapacité actuelle du modèle à représenter correctement les processus hydrologiques sur le bassin. Les observations tirées de cette méthode par modèle de mélange vont permettre d'améliorer les sorties du modèle J2000P.

# Conclusion et perspectives

Cette approche géochimique appliquée aux prélèvements mensuels permet d'abord d'identifier les paramètres représentatifs de la composante souterraine. L'analyse site par site montre deux signatures géochimiques
différentes, représentatives des deux formations géologiques du bassin. Le débit peut être décomposé en trois sources : l'aquifère des colluvions, l'eau souterraine présente dans les gneiss et la subsurface. Les résultats du modèle de mélange montrent des différences significatives avec les résultats obtenus grâce au module de décomposition spatiale des débits implémenté dans le modèle J2000P.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2. Résultats du modèle de mélange appliqué aux prélèvements mensuels et comparaison avec les résultats du modèle J2000P incluant le module de décomposition spatiale des débits.</figcaption></figure>

Afin de décomposer l'origine des eaux de subsurface dans la suite de la thèse, des données supplémentaires vont être nécessaires pour construire des empreintes géochimiques et biochimiques plus précises. Les prélèvements des sources ainsi que les prélèvements sur évènements vont permettre de mieux représenter les sources de contaminations urbaines et agricoles dans la réponse hydrologique du Ratier, en particulier grâce aux paramètres microbiologiques et à la composition de la matière organique qui sont des paramètres de choix pour distinguer les sources anthropiques. A partir de ces données, les résultats obtenus grâce au module de décomposition spatiale de J2000P seront évalués et pourront permettre de mettre en avant les processus hydrologiques qui ne sont pas correctement représentés dans le modèle. Les paramètres seront optimisés en conséquence afin de caler au mieux le modèle hydrologique distribué.

## Remerciements

Mes remerciements vont au Laboratoire de Chimie des Milieux Aquatiques (INRAE – Riverly) pour les analyses, à Mickaël Lagouy pour le travail de terrain, à tous les participants du projet ANR CHYPSTER et AERMC-ZABR IDESOC ainsi qu'à l'école universitaire H2O'Lyon pour le co-financement de cette thèse.

## Références

* Beven K. (2006). A manifesto for the equifinality thesis. *Journal of Hydrology*, 320, 18-36. doi : 10.1016/j.jhydrol.2005.07.007

* Birkel C. & Soulsby C. (2015). Advancing tracer-aided rainfall-runoff modelling: a review of progress, problems and unrealised potential. *Hydrological Processes*, 29, 5227-5240. doi: 10.1002/hyp.10594.

* Fuamba M., Branger F.; Braud I.; Batchabani E.; Sanzana P.; Sarrazin B. & Jankowfsky S. (2009). Value of distributed water level and soil moisture data in the evaluation of a distributed hydrological model: Application to the PUMMA model in the Mercier catchment (6.6km2) in France. *Journal of Hydrology*, 569, 753-770. doi: 10.1016/j.jhydrol.2018.12.035

* Jacobson C. R. (2011). Identification and quantification of the hydrological impacts of imperviousness in urban catchments: A review. *Journal of Environmental Management*, 92, 1438-1448. doi: 10.1016/j.jenvman.2011.01.018

* Kirchner J. W. (2006). Getting the right answers for the right reasons: Linking measurements, analyses, and models to advance the science of hydrology. *Water Resources Research*, 42, W03S04. doi:10.1029/2005WR004362.

* Labbas M. (2015). Modélisation hydrologique de bassins versants périurbains et influence de l'occupation du sol et de la gestion des eaux pluviales : Application au bassin de l'Yzeron (130km2). PhD thesis, Sciences de la Terre. Université Grenoble Alpes, France, 388 p. NNT : 2015GREAU006.

* Ladouche B., Probst A., Viville D., Idir S., Baqué D., Loubet M., Probst J.-L. & Bariac T. (2001). Hydrograph separation using isotopic, chemical and hydrological approaches (Strengbach catchment, France). *Journal of Hydrology*, 242, 255-274. doi: 10.1016/S0022-1694(00)00391-7.