Water Risk Assessment in Pondichéry

Coordinateurs : Marc Desmet

Financement : Région Centre – Val de Loire – Appel à projet Intêret régional (2018-2021)

Résumé

Comme toutes les villes indiennes soumises à un régime de mousson et à une accélération de la densification urbaine, Pondichéry est caractérisée par des infrastructures en eau potable ne permettant plus de répondre durablement à la demande de la population ; d'autre part, les rejets d'eaux usées non traitées contaminent l'ensemble du cycle de l'eau. Jusqu’alors, il n’existait pas d’étude scientifique intégrée et pluridisciplinaire permettant de fournir un cadre préliminaire de l'état actuel de la ressource et de la qualité des eaux de surface et des eaux souterraines. Water-Pondi a donc permis de fournir une synthèse des mécanismes et des modalités du cycle de l’eau à Pondichéry. Les enjeux ont plus particulièrement porté sur des deux grands réservoirs d’eau : les Lac Ousteri et Kanagan. Les résultats scientifiques les plus marquants sont les suivants :

- Exploitation des données socio-économiques pour préciser les conditions d’habitat et les accès à l’eau potable

- Traitement des images satellites pour extraire l’information spatiale relative à l’évolution urbaine

- Caractérisation des volumes des sédiments piégés dans ces deux réservoirs

- Évaluation des niveaux de contaminations des eaux urbaines

- Développement d’un débitmètre ultrasonore pour la mesure de faibles débits et effectuer des campagnes de mesure.

- Détermination du bilan hydrique par métrologie des eaux de surface et des eaux souterraines

- Modélisation des transferts de la ressource en eaux à l’échelle des deux bassins versants

- Organisation générale des systèmes d’acteurs intervenants autour de la gestion de l’eau

- Cartographie de l’occupation des sols et des paysages

Unités de recherces impliquées 

UR IRJI – Université de Tours

MCF Christine Fauvelle-Aymar

Dr. Prune Komba Mayossa

UR GéHCO – Université de Tours

Pr. Cécile Grosbois

Pr. Marc Desmet

Pr. Mohammed Boussafir

MCF Sébastien Salvador-Blanes

I.E Jean-Paul Bakyono

Tech. Isabelle Pene

+ stagiaires Faculté des Sciences

BRGM - Orléans

Dr. Adrien Selles

+stagiaires BRGM

UMR GREMAN – INSA Blois

Pr. Guy Feuillard

MCF Julien Bustillo

MCF Hossep Achdjian

+stagiaires INSA

UMIFRE IFP - Pondichery

Pr. Fréderic Landy

DR CNRS Raphael Mathevet

Dr. Agnès Richard-Ferroudji

Dr. G. Venkatasubramanian

+ stagiaires IFP

UMR CITERES – Université de Tours/CNRS

Pr. Sylvie Servain

MCF Laura Verdelli

+ stagiaires Polytech

MSH – Val de Loire

Dominique Andrieu

Objectifs du projet

Ce projet, propose de développer cette approche en s’intéressant plus spécifiquement aux enjeux propres à  la frange d’urbanisation de cette grande ville côtière du Sud de l’Inde et ambitionnant de devenir une « smart city ». Il a pour objectifs de :
 - déterminer les systèmes d’acteurs intervenants autour de la gestion de l’eau
 - fournir une cartographie de la ressource en eau (enjeux socioéconomiques, qualité et disponibilité) à l’échelle de la frange urbaine
 - caractériser la quantité et la qualité des eaux (de surface, souterraines et usées)
 - mettre en place une instrumentation de suivi permettant d’établir un bilan des flux hydrologiques et géochimiques sur des sites expérimentaux
 - modéliser les transferts hydriques verticaux et horizontaux
 - proposer des scénarios de restauration et de bonnes pratiques
 - conforter l’alliance stratégique entre les universités de la Région Centre Val de Loire et celles du Tamil Nadu en renforçant la mobilité entrante et sortante des étudiants

CONTEXTE GÉNÉRAL

Après plusieurs siècles de colonisation, la ville de Pondichery est redevenue « indienne » en 1954. L'agglomération comprend 4 districts : Pondichery, Ozhukarai, Vilianur et Bahour. Au dernier recensement de 2011, la population était de 950 000 habitants ; la croissance est très rapide puisqu'elle a atteint 30% sur la décade 2000-2010. Le régime de mousson apporte 1250 mm de pluies par an ; la température moyenne est de 28°C.

La géologie de la région est constituée d'un socle de charnockites fissurées recouvert de sables d'âge Crétacé et Tertiaire. Les sables Mio-Pliocènes de Cuddalore constituent l'aquifère principal jusqu'à des profondeurs supérieures à 200 mètres. Il existe également une nappe alluviale de faible épaisseur, au toit des sables de Cuddalore. Les deux rivières éphémères qui traversent le district de Pondichéry sont Gingee et Pennayar : leur débit en saison des pluies n'est pas connu. Les deux grands réservoirs (lacs) sont Ousteri (Ossudu) dans le district de Vilianur et Bahour dans le district de Bahour. Le premier couvre 800 hectares et se trouve à 12 km à l'Est de Pondichéry. « Tank de percolation », il est également un lieu unique de biodiversité dans le Sud-Est de l'Inde : on y dénombre plus de 20 000 oiseaux et 40 espèces de migrateurs. Dans le bassin versant, les agriculteurs cultivent le riz et la canne à sucre. L'hyper-eutrophisation du lac depuis plus de 20 ans est liée aux modifications des pratiques agricoles conduisant à l'apport de nutriments et de pesticides. Il existe également 84 tanks artificiels classés en « system tank » connectés au réseau hydrographique et « non-system tanks » déconnectés du réseau hydrographique. Parmi ceux-ci le lac Kanagan est situé dans la frange urbaine en pleine expansion et il est donc soumis à des pressions anthropiques très importantes.

A Pondichery, l’eau est pompée dans les nappes phréatiques, traitée, stockée dans 20 « Ground Level Service Reservoir » puis dans 22 « Over Head Tanks ». Les volumes d’eau, extraits des nappes chaque année, ne sont pas connus mais en quelques décennies, le niveau piézométrique s’est abaissé de 15 à 30 mètres à l’Ouest des champs captants et de 7 mètres à l’Est. L’intrusion saline s’étend jusqu’à 10 kilomètres à l’intérieur des terres.

Bien qu’il n’y ait pas de données scientifiques à ce sujet, le colmatage sédimentaire est accentué par les modifications de pratiques agricoles qui conduisent à des départs de matières plus importants depuis les versants et un transfert rapide vers les masses d’eau. L’espace disponible de stockage se réduit et la ressource se dégrade car les problèmes de turbidité sont de plus en plus fréquents.

L’urbanisation et les activités industrielles de proximité engendrent des rejets d’éléments traces métalliques, de micropolluants organiques et plus généralement un cocktail de perturbateurs endocriniens.

Les usages et les pratiques autour des « tanks de percolation » sont l’objet de nombreux conflits mettant en vis-à-vis de très nombreux acteurs. La ressource en eau s’amenuise, le bilan hydrique n’est plus à l’équilibre, les rendements agricoles diminuent, les pompages s’intensifient, les fuites de réseau sont permanentes, les stations de traitement ne sont pas dimensionnées et l’essentiel des eaux usées est rejeté tel quel, dans l’environnement, dans la ville.

Pour tenter d’apporter des éléments de réponse, Water-Pondi a été construit selon une approche méthodologique et scientifique de sites ateliers des bassins versants d’Ousteri et de Kanagan ; le croisement des données collectées (et/ou produites par le projet) a intégré les enjeux liés au cycle de l’eau et selon 5 tâches distinctes :

- WP1- tâche 1, Fonctionnement socio-économique du cycle de l’eau

- WP2 - tâche 2, Gradients physico-chimiques dans les sédiments de la frange urbaine

- WP3 - tâche 3, Métrologie et modélisation des transferts hydriques

- WP4 - tâche 4, Pratiques, usages, jeux d’acteurs et enjeux de planification

- WP5 - tâche 5, Dissémination scientifique et formation par la recherche

WP1- tâche 1 : Fonctionnement socio-économique du cycle de l’eau

L’évolution de la dynamique urbaine de Pondichéry a été quantifiée à partir du traitement des images satellites Landsat et Sentinel-2B avec une résolution de 30 m pour les calculs. La méthode de classification supervisée par pixel a été utilisée pour extraire l’information spatiale relative à l’évolution urbaine. Quatre classes de l’occupation du sol ont été cartographiées : Bâti, végétation, sols nus et surface en eau. Plusieurs métriques du paysage ont ensuite été choisies et calculées afin d’obtenir des descripteurs de l’évolution urbaine. Les cartes de transition obtenues à partir d’un croisement deux à deux des cartes de l’occupation des sols ont permis de préciser les changements opérés par classes et d’identifier l’évolution temporelle des 3 types de surfaces.  

Les données du recensement (India Census 2011) disponibles à l’échelle des quartiers (wards) ont été utilisées pour caractériser la situation socio-économique des foyers. L’exploitation de ces données renseigne sur les conditions d’habitat, notamment sur les questions d’accès à l’eau et de la gestion eaux usées. En matière d’accès à l’eau potable, on peut noter une grande disparité (figure 5). Cependant, cette information ne dit rien sur la disponibilité, l’eau courante n’étant généralement disponible que pendant de courtes périodes (de 1 à 6 heures par jour).

Comme seules les données du recensement de 2011 ont pu être prises en compte pour effectuer une cartographie de Pondichery, les données du recensement réalisé en 2021 devront être traitées quand elles seront disponibles afin de pouvoir croiser ces indicateurs avec l’évolution de la dynamique urbaine à l’échelle des wards.

WP2 - tâche 2 : Gradients physico-chimiques dans les franges urbaines

Comme nous l’avons évoqué dans le contexte général de ce projet, le volume de stockage en eaux des lacs de Pondichery diminue à cause d’un colmatage de plus en plus prégnant. D’autre part, la qualité des eaux et des particules stockées dans ces réservoirs se détériore avec le temps. L’évolution temporelle du taux de sédimentation et la composition chimique des sédiments a donc été quantifiées pour caractériser l’évolution de ce colmatage et les niveaux de contamination du remplissage sédimentaire de ces deux réservoirs.

Dans le lac Ousteri, ont été réalisées une campagne bathymétrique pour calculer le volume d’eau stockée en saisons sèche et humide et une campagne de carottage afin de réaliser un modèle de remplissage associé à un calcul du taux de sédimentation en plusieurs points du lac. Dans le lac Kanagan, des carottes ont été prélevées et des analyses de métaux lourds y ont été faites pour estimer les niveaux de contamination et les potentiels facteurs d’enrichissement. En complément de ces deux études temporelles, des échantillonnages de sédiments de surface ont été pratiqués dans de nombreux canaux d’eaux usées en amont et en aval de Kanagan ainsi que dans le secteur de l’aéroport.

D’après les modèles d’âge et les taux d’accumulation mesurés dans les carottes d’Ousteri, trois périodes distinctes se succèdent et signent des changements majeurs d’usage des sols du bassin versant et de mise en place d’infrastructures amont. La construction du barrage de Veedur sur la rivière Gingee dans les années 1950 a joué un rôle important sans oublier l’impact des modifications d’occupation des sols et des pratiques agricoles alentours ou/et d’une production primaire dans la retenue en lien, possiblement, à un début d’eutrophisation des eaux de surface. La gestion du lac et les périodes de sècheresse ont également engendré des à-secs fortement dommageables.   

D’après les analyses de métaux sur les sédiments de Kanagan, les facteurs d’enrichissement les plus élevés sont ceux de l’argent et du mercure auxquels il faut ajouter Cu, Cd et Zn dans le bassin de l’aéroport. Un gradient croissant amont-aval des facteurs d’enrichissement est bien défini dans ce secteur ; dans le bassin versant de Kanagan, le gradient spatial n’existe pas car l’organisation des réseaux de canaux et de drains n’est pas régie selon un linéaire amont-aval. Les valeurs les plus élevées sont plus ponctuelles à une station donnée soumises à des activités domestiques et/ou industrielles très locales et difficiles à isoler. Fait marquant, les sédiments à l’entrée Nord ou Ouest du lac de Kanagan ont des facteurs d’enrichissement très faibles, ne montrant pas ou très peu d’impact anthropique.

Afin d’évaluer les niveaux de contamination des sédiments urbains de Pondichéry, ils ont été comparés à d’autres contextes sédimentaires du Tamil Nadu dont l’étude des sédiments urbains réalisée à Chennai dans le cadre du précédent projet ARCUS-Inde. Une étude bibliographique a été réalisée avec plus de 50 références. Les éléments traces métalliques les plus reportés sont Cd, Cr, Cu, Pb, Zn Ni et Co. Un indice multi-élémentaire, le sédiment pollution index « SPI » basé sur les teneurs de Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn qui sont pondérées d’un facteur en fonction de leur toxicité dans le milieu, a été calculé pour faciliter cette inter-comparaison. 

La présence d’Argent nous a conduit à mener des études complémentaires par microscopie électronique à balayage. Un échantillon montre des nanoparticules d’argent métal ainsi que des traces d’argent dans des particules contenant des terres rares, de l’étain ou encore de l’or. Ces particules pourraient correspondre à des alliages utilisés en bijouterie ou en soudure. Un autre échantillon montre de l’argent sous forme de nanoparticules. Dans les 2 cas, l’argent est donc principalement sous forme de nanoparticules dans une matrice organique amorphe, gélifiée sans structuration claire.

WP3 - tâche 3 : Métrologie et modélisation des transferts hydriques

Quatre objectifs étaient fixés, sachant que l’ensemble des études a porté sur le bassin versant et le lac Ousteri :

- Évaluation du bilan hydrique avec suivi des eaux de surface et des eaux souterraines.

- Développement d'instruments de surveillance innovants, utilisant la méthode des ultrasons.

- Estimation de l'impact de ces bassins sur la ressource grâce à des outils de modélisation.

- Proposition de recommandations pour maintenir ou améliorer la disponibilité et la qualité de ces ressources.

Afin de comprendre la dynamique spatiale d'Ousteri, nous avons utilisé la base de données hydrologiques créée par (Pekel et al., 2016) et disponible gratuitement en ligne (https://global-surface-water.appspot.com/). La base de données présente l'occurrence de l'eau en pourcentage sur la période de 34 ans (1984-2018) à 27 m de résolution. En multipliant l'occurrence d'eau par l'évaporation potentielle annuelle moyenne (1500 mm/an), on obtient l'évaporation réelle moyenne en mm/an. La zone d'eaux stagnantes dans la partie sud du lac s'évapore sur plus de 1 m par an.

Afin d'estimer le volume du lac, une bathymétrie appropriée était requise, sachant que la plupart des modèles numériques de terrain disponibles en haute résolution comme le SRTM, ASTER ou Cartosat pour l'Inde n'incluent pas la topographie sous les plans d'eau. La plupart d'entre eux fixent une valeur (aléatoire ou moyenne du plus proche voisin) et ne peuvent pas être utilisés. Un levé DGPS a donc été réalisé pour mesurer l'altitude du lac Ousteri. Pendant cette campagne de mesure, le lac était complètement vide.

En combinant le MNT avec la surface d'eau, nous avons pu calculer le volume du lac. Ainsi, il a été possible d'établir une relation polynomiale entre l'aire d'Ousteri et son volume. En utilisant les données de niveau d'eau de l'échelle (2005-2010), nous avons également pu lier le volume au niveau d'eau. Avec une série temporelle continue de données de niveau d'eau dans la zone lacustre, il est possible d'établir une relation entre le niveau d'eau et le volume d’eau. Sur la base de cette corrélation, l'évolution du volume d'Ousteri au cours des deux dernières décennies a pu être précisément estimée.

L'accès aux informations souterraines et géologiques de la région est limité. Il a donc été impossible de localiser un forage permettant toute enquête sur les eaux souterraines. Une approche géophysique a été privilégiée pour identifier les unités lithologiques de la région d'Ousteri. 10 profils de tomographie par résistivité électrique (ERT) ont été effectués et nous avons utilisé IRIS -Syscol Pro Switch 96 avec un espacement des électrodes de 10 m pour des profils allant de 240 à 480 m. Ces profils permettent une profondeur d'investigation allant de 45 à 75 m. Parmi ces profils, celui situé en amont du lac montre un niveau d’argiles à plusieurs dizaines de mètres de profondeur. La capacité d’infiltration du lac est donc largement limitée par la présence de ce niveau imperméable.

Afin d'estimer la quantité d'eau souterraine extraite à proximité du réservoir d'Ousteri, nous avons considéré les usages industriels et agricoles. 7 sites (sur les 150 puits répertoriés) ont été investigués dans des secteurs ou l’eau souterraine est extraite à des fins industrielles ou d'approvisionnement en eau, sachant que les forages publics et privés extraient plus de 3 millions de litres par jour (1,3 Millions de m3 par an) dans la zone d'étude d'Ousteri.

En complément des études réalisées sur le bassin versant d’Ousteri, un débitmètre ultrasonore a été développé pour la mesure de faibles débits basé sur la mesure de temps de transit entre deux transducteurs ultrasonores. Le travail de calibration a été réalisé au laboratoire et il a été testé dans le canal d’amenée des eaux dans le lac d’Ousteri. A cet endroit, la largeur est de 6 mètres et la profondeur moyenne de 13 cm.

WP4 - tâche 4 : Pratiques, usages, jeux d’acteurs et enjeux de planification

Outre l’accueil des partenaires du projet venus en mission de France (soutien logistique et matériel, espace de discussion, visites conjointes de terrain, etc.), l’IFP a mené en propre la comparaison de deux étangs, un pleinement urbain (Kanagan), et l’autre en situation plus rurale entouré encore d’espaces cultivés (Ousteri). Aucun ne sert plus à l’irrigation gravitaire, sauf à de rares exceptions pour un canal partant d’Ousteri, et il s’agit donc de trouver de nouvelles raisons d’être à ces espaces si l’on souhaite qu’ils échappent à l’étalement urbain.

Différents types de travaux ont été conduits pour ce faire :

- Enquêtes par questionnaire auprès des riverains

- Entretiens semi-directifs auprès des gestionnaires (Public Works Department, associations locales, etc, …) et des riverains

- Ateliers et focus groups, en collaboration avec le projet RUSE financé par l’AFD des associations citoyennes de Pondichéry. Deux concours de dessin avec les écoliers ont aussi été organisés, avec analyse scientifique des œuvres.

Il en ressort des attentes très différentes des acteurs. On se trouve dans une société fort segmentée, avec des rapports de classe et de caste très hiérarchisés (les éleveurs veulent garder des zones de pâture, ce qui perturbe les attentes des écologistes ou des promoteurs du tourisme), avec des spécificités culturelles (pêche considérée comme une activité de basse caste), et une gouvernance très fragile, entre la corruption ou l’inefficacité du Public Works Department et les conflits à la tête du Territoire de Pondichéry. Au final, la notion de « patrimoine naturel » semble difficile à transcrire localement. On note toutefois un certain consensus sur :

- Le développement des loisirs et de la promenade à Kanagan (mais encore faudrait-il qu’il soit curé régulièrement) ;

- La recharge de la nappe phréatique pour l’agriculture, et le tourisme à Ousteri. Mais l’usage des rives reste discuté, notamment leur fermeture qui risque de perturber les usages coutumiers des populations pauvres du nord ainsi que les écosystèmes naturels. Les « Forest Departments » ont des modes d’intervention parfois brutaux (construction d’ilots pour certaines espèces d’oiseaux au détriment d’autres, terrassements…).

Au total, les idéaux d’un accord gagnant-gagnant pour toutes les parties semblent hors d’atteinte. Des compromis sont en cours de définition, mais des indemnisations compensatoires ne semblent pas prévues pour les perdants.

Concernant les enjeux de planification de la frange urbaine et jeux d’acteurs, une approche a été développée à plusieurs échelles, en lien avec les travaux menés dans le WP1, et qui a nécessité des déplacements sur site :

- A l’échelle des 2 tanks et de leur évolution dans le temps : évolution de l’approvisionnement en eau (bibliographie, analyse cartographique – diachronique -, observation in situ du réseau de canaux affluents et défluents -exploration à pied à partir de la cartographie), évolution de la surface en eau (observation in situ des projets mis en œuvre récemment : projets immobiliers et de zones de loisirs ; observation in situ de l’état de colonisation des miroirs d’eau par les espèces envahissantes et de leurs évolutions saisonnières), évolution des usages (bibliographie, entretiens avec habitants et usagers, cartes mentales) ;

-  A l'échelle des usagers, sur la perception de l'accès à l'eau potable et à l’eau d’irrigation (bibliographie, définition des termes, entretiens avec habitants et usagers, cartes mentales) ;

- A l’échelle de l’urbanisation et des habitants riverains (cartographie évolution de l’urbanisation autour des tanks et caractérisation socio-économique des habitants : bibliographie, entretiens, données statistiques)

- A l'échelle du paysage, sur la perception (symbolique, visuelle, cultuelle) des réservoirs d'eau à ciel ouvert (bibliographie, définition des termes, entretiens avec habitants et usagers) ;

- A l’échelle du système d'acteurs, esquisse de la structure du système : rôles institutionnels, entreprenariat privé, aspects normatifs et règlementaires (entretiens acteurs institutionnels, en entrepreneurs dans le domaine de l’eau ; corpus législatifs).

WP5 - tâche 5, Dissémination scientifique et formation par la recherche

La diffusion et la communication s’inscrivent dans le cadre du dispositif « Science on tourne », animé par l’équipe de Centre Sciences. Il s’agit d’un projet initié par "C'est dans l'aire", une association lauréate du programme des Investissements d’Avenir, qui fédére 5 centres de science de 5 régions et qui a l’ambition commune de porter les actions de culture scientifique, technique et industrielle vers des territoires et des publics éloignés, dans une démarche de mutualisation des moyens. Elle offre, aux lycéens et grands collégiens des 5 régions, la possibilité de dialoguer en direct avec des scientifiques puis, à tous les internautes, de voir ou de revoir toutes les conférences en VOD.

Le jour du webcast, des lycéens de différentes classes sont invités à assister à une conférence scientifique en direct depuis la salle de conférence de leur établissement, équipée d’un simple vidéoprojecteur et d’un ordinateur. Un film de 30 minutes est diffusé en première partie de séance. Il présente les intervenants dans leur laboratoire, leurs recherches, collègues, des expériences... La deuxième partie est le webcast de 25 minutes, c’est un échange de questions/réponses entre les lycéens et les intervenants qui réagissent en live devant eux.

Résultats

Capsule vidéo sur le WP2 "Gradients physico-chimiques dans les franges urbaines" du projet WaterPondi ici, réalisée au FacLab de l'UFR Droit de l'Université de Tours grâce aux compétences du personnel de New Teach

Résultats sur la qualité des sédiments dans cette frange urbaine (WP2) ici lors du 2nd workshop qui s'est déroulé à Tours en Octobre 2019