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La Chaux-de-Fonds

Contexte

La commune de la Chaux-de-Fonds (Canton de Neuchâtel) se situe à 1000 m d’altitude dans un environnement karstique. Le bassin versant de la ville (44 km²) déverse ses eaux en majorité en direction d’un cours d’eau non permanent (La Ronde) et une petite partie en direction du Locle. Les eaux de la ville s’infiltrent de manière diffuse en direction du Doubs, un milieu récepteur particulièrement sensible à cheval entre la France et la Suisse.

Le réseau de canalisations, essentiellement unitaire. Le réseau actuel, d’environ 135 km de canalisations, comprend plus de 4’000 chambres de visite. Les eaux usées et pluviales de la ville sont en très grande majorité dirigées vers l’exutoire principal de la ville, la Combe-des-Moulins, elle-même prolongée par les Combes du Valanvron. Ces dernières sont parcourues par la Ronde, cours d’eau non permanent, formé uniquement des eaux transitant par la station d’épuration (STEP), qui disparaissent ensuite plus ou moins rapidement dans le milieu karstique sous-jacent.

Le long de la Combe-des-Moulins, un canal rectangulaire en béton achemine les eaux de l’extrémité est de la zone urbanisée (Bikini Test) jusqu’à la STEP. Entre leur arrivée à la station, par le canal d’amenée, et leur rejet dans la Ronde, les eaux peuvent emprunter différents chemins en fonction de leur débit :

  • ≤ 550 l/s :  débits temps sec / faibles précipitations, soit 70 % du volume annuel des eaux arrivant à la STEP. L’ensemble du débit est traité à la STEP;
  • 550 – 2000 l/s : les eaux sont dans un premier temps stockées dans le bassin d’eaux pluviales (BEP) d’un volume de 2’000 m³. À la fin de la crue, le volume ainsi retenu est pompé et déversé en amont de la STEP;
  • Débit d’entrée dans le BEP < 2’000 l/s,  mais que celui-ci est rempli: le trop-plein de ce bassin déverse les eaux vers la Ronde au travers d’une grille d’orage dont l’entrefer des barreaux est de 4 mm. Si cette grille est obstruée, les eaux sont déversées dans la Ronde par un by-pass, sans traitement;
  • > 2’550 l/s : transite par le canal de contournement sans aucun traitement. Ces eaux représentent 9 % du volume annuel arrivant par le canal d’amenée.

Avec la capacité actuelle de dégrillage de 2’550 l/s, il subsiste environ 40 événements de pluie par an qui induisent des déversements sans dégrillage. Il en résulte un apport de déchets grossiers dans le lit de la Ronde, inesthétiques et facilement visibles sur le terrain. Un projet d’amélioration de la capacité de dégrillage, pour des débits pouvant aller jusqu’à 8 m³/s, est en cours de planification et sera mis en service en 2022.

Situation géographique de la Chaux-de-Fonds, comprenant les limites nationales, cantonales et communales, de même que les principaux cours d’eau concernés

La STEP, modifiée en 2004, épure les eaux de 37’500 habitants qui sont déversées dans la combe du Valanvron où ils reforment le ruisseau de La Ronde, puis s’infiltrent dans des pertes pour disparaître dans le réseau karstique après un parcours à l’air libre de 1’000 à 1’500 mètres. Lors de précipitations importantes, le trop plein des eaux s’écoule dans la combe, passe par un petit lac (lac du Cul-des-Près) situé à une distance de 5.7 km en aval de la STEP, et rejoint le Doubs par l’étang de Biaufond. La spécificité du cours d’eau de La Ronde est d’être à sec la plupart du temps et de traverser les cantons de Neuchâtel, de Berne et du Jura.

L’implantation de la STEP a modifié le régime des exutoires du bassin hydrogéologique. Les sources les plus en aval le long du Doubs reçoivent le débit le plus grand aux dépends de celles qui se trouvent en amont. Les résurgences principales au niveau du Doubs sont celle de la Verrerie avec un débit d’étiage de 105 l/s et celle de la Rasse avec un débit d’étiage de 45 l/s.

Vue aérienne du système d’évacuation des eaux de la région de la Chaux-de-Fonds, délimité au nord par le Doubs et au sud par la combe du Valanvron, où s’écoule La Ronde, avec les indications des écoulements souterrains vers le Doubs [1]

Pourquoi une gestion intégrée à La Chaux-de-Fonds?

Une première version du PGEE prévoyait de limiter les charges en direction du Doubs en construisant, pour la moitié ouest de la ville, un système entièrement séparatif et un nouvel exutoire à l’aide d’un micro-tunnelier. Les coûts de cette solution (entre 30 et 60 Mio CHF suivant les estimations) ont été estimés excessifs pour la Commune.

Une deuxième approche a été proposée, visant à la conservation du réseau unitaire existant (valorisation des investissements consentis par les générations précédentes), avec la volonté de résoudre les problèmes suivants:

  • Inondations récurrentes dans le centre-ville
  • Possibilités d’infiltration nécessitant des précautions (risque de dissolution de l’épikarst)
  • Un seul exutoire pour la grande majorité des eaux de la zone urbanisée (abandon des rejets dans les gouffres karstiques utilisés jusqu’en 2015)
  • Milieu récepteur (Le Doubs) très sensible, avec une forte pression environnementale. Les impacts des apports directs de la ville (STEP et déversements) sont difficiles à estimer, car les apports sont essentiellement diffus après infiltration dans le karst.
  • Rejets trop importants de déchets grossiers dans La Ronde, lieu de randonnée fréquenté
  • Contraintes budgétaires importantes : il n’est pas souhaitable d’augmenter de manière importante et/ou durable la taxe d’épuration, seule source de financement du réseau d’évacuation et d’épuration des eaux

La décision de traiter les micropolluants à la STEP a également conduit à une réflexion globale de gestion des eaux, intégrant le réseau, la STEP et le milieu récepteur.

L’approche intégrée de la gestion des eaux a conduit à différentes solutions. Citons notamment, des solutions « à la source », en amont du réseau, sur les biens-fonds hors zones de faible densité:

  • L’infiltration lorsque les conditions le permettent (exigence légale)
  • La rétention, notamment sur les toits plats (la charge de neige pris en considération équivaut à une rétention théorique possible de 30 à 37 cm de hauteur d’eau suivant l’âge du bâtiment)
  • La réutilisation des eaux pluviales, encore trop peu développée dans notre pays.

Au niveau du réseau, l’augmentation des capacités de rétention du réseau public est visée, soit dans des conduites surdimensionnées, soit dans des bassins de grand volume. Une gestion dynamique des écoulements a été envisagée, en recourant à des rétentions en réseau localisées sur certains tronçons.

Ces mesures en amont du réseau et dans le réseau ont pour but de lisser les débits arrivant à la STEP lors des crues. Elles sont complétées en aval du réseau par l’amélioration de la qualité des eaux épurées ou déversées à la STEP:

  • Le traitement des micropolluants (mise en service prévue en 2023)
  • L’augmentation du débit maximal dégrillé, de 2.5 m³/s à 8.5 m³/s (mise en service en 2022)
  • L’aménagement d’un filtre planté de roseaux (FPR) en aval de la STEP pour le traitement des eaux mixtes déversées  (projet en cours d’évaluation).

De plus, un suivi continu des rejets dans les milieux récepteurs est mis en place.

Filtre planté de roseaux (FPR) destiné au traitement des eaux de déversoirs d’orage (Photo: IRSTEA)

 

Données utilisées

Les données du premier PGEE en lien avec le cadastre des canalisations de la ville ont pu être récupérées et valorisées. Les données de la STEP ont également pu être valorisées. Le fonctionnement réel du BEP de la STEP (2000 m³) est analysé, les conditions hydrauliques rendent difficile l’estimation du fonctionnement réel de ce BEP.

De très nombreuses données, collectées par le Canton ou en France, sont disponibles sur le Doubs, étant donné la sensibilité du milieu récepteur.

Des mesures ont été effectuées dans les cours d’eau en amont et en aval du point de déversement, en comparant les mesures et en définissant les déficits (impacts) associés au déversement des eaux unitaires par temps de pluie. Ces analyses comprennent également des tests écotoxicologiques sur sédiments.

Les analyses réalisées pour les différents sites s’appuient principalement sur le concept modulaire gradué de l’Office fédéral de l’environnement, notamment sur les modules Aspect général, Diatomées, Débits (importante production hydro-électrique) et Macroinvertébrés. La synthèse de l’ensemble des données disponibles est donnée dans la figure suivante, tirée du PGEE de la Ville.

Synthèse des données disponibles et collectées sur différents points des milieux récepteurs de la ville (extrait du PGEE de la Ville)

 

Outils mis en oeuvre

Les outils mis en œuvre pour développer une gestion intégrée et dynamique des eaux comprennent :

Routing System : modélisation en temps réel et provisionnel du réseau d’assainissement : identification des risques d’inondation, prévision des déversements, fonctionnement prévisionnel du massif filtrant (traitement des rejets unitaires).

REBEKA : Impacts des rejets déversés dans le Doubs. Le calcul s’est effectué en mode Worst-case, en prenant l’hypothèse d’un rejet direct, sans phase d’atténuation dans le karst. Des échantillons d’eau et de sédiments ont été analysés dans le Doubs, le lac du Cul-des-Prés et les anciens déversoirs (gouffre karstique) afin de valider les résultats modélisés.

ORAGE : logiciel développé par plusieurs partenaires dont l’IRSTEA dans le cadre du projet ADEPTE (Aide au Dimensionnement pour la gestion des Eaux Pluviales par Traitement Extensif). Il est conçu dans le but de fournir un outil d’aide au dimensionnement de filtres plantés de roseaux.

Les outils interagissent comme illustrés dans la figure suivante :

Interaction entre les différents outils de modélisation mis en oeuvre

Routing System prédit les volumes d’eau et les charges polluantes en direction de la STEP, et permet d’estimer la part traitée et la part déversée. Le volume d’eau potentiellement traité dans le filtre planté de roseaux est estimé à l’aide du logiciel Orage qui permet le prédimensionnement de l’installation. L’outil REBEKA est utilisé pour analyser les impacts potentiels sur le milieu. Ce sont finalement ces impacts potentiels qui ont dicté le dimensionnement du filtre planté (flèche 1). De manière à ne pas surcharger le filtre et limiter des inondations au centre-ville, des mesures de rétention sont nécessaires, mesures analysées à l’aide du logiciel Routing System (flèche 2).

Le système fonctionne de manière « passive », l’outil Routing System permet, grâce aux prévisions de débit, d’optimiser le fonctionnement et la gestion du filtre planté, tout en donnant des indications à l’exploitant de la STEP sur les débits prévus jusqu’à 3 jours en avance.

Cette configuration permet d’atteindre un haut niveau de rendement, en termes pollutifs (rendement global MES de 90%), avec un traitement des eaux jusqu’à 6 QTS. Le dégrilleur en place permet de retenir 95% des déchets solides déversés.

Illustration du réseau de la Ville de la Chaux-de-Fonds, tel qu’il apparait sur le portail Web de l’outil Routing System

 

Analyse PASST

L’analyse PASST pour le cas de la Ville de la Chaux-de-Fonds donne une valeur de 0.57 pour le potentiel de l’infrastructure et 0.14 pour le potentiel du bassin versant. Le résultat se situe dans la zone « rouge », avec comme interprétation : « La gestion dynamique des installations sur le bassin versant n’est pas conseillée ».

Ce résultat est en phase avec les résultats du PGEE et de la solution intégrée mise en place :

  • Faible potentiel de gestion dynamique sur le bassin versant : pas possible d’implanter d’importantes structures de rétention sur le bassin versant, favoriser plutôt les actions locales au niveau des parcelles.
  • Faible potentiel de gestion dynamique identifié sur certains collecteurs de la Ville, pour lesquels des réserves de capacité sont présentes.

La solution intégrée retenu, avec un traitement des eaux déversées par massif filtrant (capacité 1 m³/s) et rétention des déchets grossiers (capacité 10 m³/s) permet d’atteindre un haut degré de protection du milieu, sans avoir recours à une gestion dynamique sur le bassin versant de la Ville.

Approche intégrée pour le cas de La Chaux-de-Fonds

En termes de gestion intégrée des eaux, plusieurs domaines sont considérés à différents niveaux dans l’exemple de la Chaux-de-Fonds. Comme on peut le constater dans la figure ci-dessous, la gestion au niveau Réseau-STEP-Milieu est parfaitement intégrée. Les autres domaines sont intégrés à différents niveaux. Les aspects piscicoles ont joué un rôle très important dans les choix de gestion de l’assainissement en lien avec une problématique supranationale : la protection d’une espèce en voie de disparition dans le Doubs (Apron du Doubs). Avec le Parc naturel régional du Doubs, les aspects de biodiversité représentent également un point central dans les solutions à mettre en œuvre. La lutte contre les inondations au centre-ville, même s’il agit d’une problématique a priori liée uniquement à l’assainissement, occupe également un rôle majeur : il n’y a qu’un exutoire possible pour les crues.

 

Illustration des différents domaines de la gestion intégrée des eaux concernés: cercle intérieur, domaine RSM, cercle extérieur: autres domaines également concernés

 

Les aspects suivants sont intégrés en grande partie dans les réflexions :

  • Force hydraulique : le turbinage des eaux usées traitées dans le Doubs  a toujours été intégré aux projets d’assainissement. Des analyses détaillées ont été effectuées sur les différentes solutions envisageables.
  • Aménagement du territoire : intégré en grande partie, en définissant des bassins versants spécifiques pour limiter le ruissellement (actions à la parcelle)
  • Protection des nappes phréatiques : La ville se situe en partie dans des zones de protections des eaux. Le milieu karstique peut conduire à des contaminations de nappes sur de longues distances : une analyse a par exemple été menée pour voir si les eaux qui s’infiltrent pourraient influencer des captages dans le canton de Berne.

D’autres domaines sont moyennement concernés :

  • Zones humides : présence d’étangs protégés au centre-ville
  • Loisir et détente : Ballades le long du ruisseau « La Ronde », intégrée dans sa partie inférieure à des balades familiales.

Finalement d’autres domaines sont faiblement intégrés dans les réflexions : eau potable (analyse des possibilités de réutilisation des eaux sur le territoire de la Commune), agriculture : un inventaire détaillé a été effectué pour l’assainissement hors zone. Un bilan de masse global des intrants dans le Doubs a été réalisé, de manière à quantifier les différents apports (agricoles, urbains…) au niveau du Doubs.

Les autres domaines ne sont pris en compte que de façon marginale dans les réflexions.

Dans cet exemple la présence d’un milieu particulièrement sensible, le Doubs, et un contexte karstique spécifique conduit à chercher des solutions naturellement intégrées.

Synthèse

Face à des contraintes financières importantes, la Ville de la Chaux-de-Fonds à recours à une vision intégrée de gestion des eaux, en mettant en œuvre une solution avec une rapport coûts-bénéfice particulièrement intéressante.

Le contexte Karstique pose de nombreux problème pour la gestion des eaux urbaines par temps de pluie. La capacité de filtration des eaux de ruissellement est limitée, le sol ne peut jouer qu’un rôle limité de dépollution des eaux de ruissellement. Les solutions de rétention à la parcelle proposées dans le cadre du PGEE permettront de limiter les inondations, sans autres interventions d’envergure au niveau du réseau existant.

L’analyse conduite sur les différents rejets a été indispensable pour mieux cerner l’ampleur de réduction des émissions nécessaire. Les impacts identifiés au niveau du Lac du Cul-des-Prés sont indéniables.

Le Doubs marque la frontière avec la France : une coopération internationale est indispensable. Il est difficile d’identifier la part de responsabilité de la Ville de La Chaux-de-Fonds dans la situation actuelle. Néanmoins, les solutions intégrées proposées offrent un très haut niveau de protection des eaux.

D’autres sources de contamination sur le territoire communal, notamment la présence de sites contaminés interagissent avec le réseau d’assainissement. Ces éléments ne font pas a priori partie du PGEE, mais peuvent ponctuellement avoir un impact sur la STEP (inhibition de la nitrification) ou sur le milieu. Ces sources de pollution ne sont pas encore assez intégrées dans la vision globale de gestion des eaux, même si des solutions sont en discussion.

La pression des milieux de la pêche et de l’environnement est très importante dans ce cas. Les solutions pragmatiques trouvées devraient permettre d’arriver à apaiser la situation entre les différents acteurs.

Les sites de mesures dans le milieu naturel et particulièrement sur le Doubs ne sont pas en lien direct avec les points de rejets du système d’assainissement. L’analyse du compartiment sédimentaire, pourtant souvent impacté par les rejets urbains, est effectué de manière lacunaire : les analyses effectuées dans cette étude ont permis d’avoir une meilleure connaissance de cette composante et devront être reconduite après la mise en oeuvre des mesures PGEE.

Les outils de modélisation mis en place ont permis d’avoir une vision globale du système, de son impact sur le milieu et de l’apport des solutions techniques pour limiter ces impacts. Une gestion dynamique du réseau ne semble pas adéquate (à part peut-être localement), l’outil PASST en est phase avec les solutions retenues dans cet exemple. Le modèle prévisionnel mis en oeuvre sera très utile pour la gestion du filtre planté de roseaux et pour anticiper le fonctionnement de la STEP par temps de pluie.

Un concept du suivi du milieu récepteur est prévu. Celui-ci se fera de toute manière en lien avec la mise en œuvre de la phase de traitement des micropolluants à la STEP. Le massif filtrant pour le traitement des eaux déversées, une première en Suisse, fera l’objet également d’un suivi particulier pour sa capacité à traiter les eaux déversées et son fonctionnement opérationnel.

La Gestion intégrée des Eaux pour le cas de la Chaux-de-Fonds peut se résumer par une approche économique, originale et efficace.

 

 

 

Référence:

 

[1] Montandon, Paul-Etienne, Muriel Anderegg, et Sylvie Daval. 2006. « Evacuation des eaux épurées. A l’exemple d’un système karstique ». Gaz Wasser Abwasser 11: 895‑901

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