Chapitre 1 - Hydrologie Urbaine [PDF]

Zitiervorschau

Université Mohammed Premier École Nationale des Sciences Appliquées Al Hoceima

Filière: Génie Civil (S3)

Hydrologie Urbaine

Les concepts fondamentaux de l’hydrologie urbaine

Hydrologie Urbaine Hydrologie urbaine s’intéresse à l’étude de l'eau et de ses relations avec les différentes activités humaines en zone urbaine. Relations entre: ● la gestion des eaux de surface (rivières) et souterraines (nappes) ● et l'aménagement de l'espace urbain. Traitement de 2 volets : ● Quantité (pluie, ruissellement, inondation) ● Qualité (transfert des polluants par temps de pluie) Multi-disciplinaire Géostatistique, Cartographie, Hydraulique, Biologie, Génie civil et urbain, Aménagement et urbanisme, Electrotechnique

Objectifs :
Comprendre le cycle hydrologique dans la ville, apprendre à le modéliser, effet de l’urbanisation, outils…etc.;
Évaluer des débits de pointe en EU et EP;
Concevoir et dimensionner un réseau (collecteurs et ouvrages de traitement)

d’assainissement


Diagnostiquer d’un réseau existant;
Sensibiliser aux techniques alternatives au réseau traditionnels;
Savoir proposer des solutions alternatives à des problèmes d’inondation en milieu urbain.

INONDATIONS PLUS FREQUENTES

DEBORDEMENT DE RESEAU

L’effet de l’urbanisation sur le cycle de l’eau :


La ville substitue les superficies perméables par des zones imperméables:


Augmente le volume et la vitesse des crues; - Augmente la fréquence et la gravité des inondations. - L’eau circule rapidement dans les collecteurs induisant leur saturation.


Diminution de l’infiltration naturelle; - Le débit de pointe augmente de deux à cinq fois.




Réduction de l’évaporation.

L’effet de l’urbanisation sur le cycle de l’eau : Le développement des agglomérations modifie le fonctionnement du cycle hydrologique sous de multiples aspects

L’effet de l’urbanisation sur le ruissellement superficiel (cycle de l’eau):


L’imperméabilisation des sols;
L’accélération des écoulements;
L’artificialisation des rivières urbaines;
La pollution des milieux récepteurs.

Les BV urbains et découpages des sous BV Les limites du BV urbain correspondent aux limites de la surface bâtie et raccordée au réseau d’assainissement. Qp: Ac, Bc, Dc, Dc, Ec, Fc BV: de 1 à 6 Exutoire : G

A Ac B

Bc

B1

B2

B6 C

F

Ou ed

STEP

G

B5

B3 B4

Cc Fc Ec E

Dc

D

Groupement des BV urbains Groupement en série Les bassins B1 et B2 sont en série. Le bassin équivalent B12= B1 + B2. L’observateur au point Bc verra l’hydrogramme du B1 se forme avec un décalage dans le temps correspondant au temps de parcours AcBc, et avec un amortissement dû à la perte de charge le long du parcours AcBc.

A Ac B

Bc

B1

B2

B6 C

F

B3 B4

Cc Fc Ec

Ou

ed

STEP

G

B5

E

Dc

D

Groupement des BV urbains Groupement en parallèle Les bassins B12 et B34 sont en parallèle. Le bassin équivalent B14= B12+ B34. Leurs hydrogrammes se combinent au nœud C après décalage et amortissement. L’hydrogramme résultant est ensuite transféré au point Cc, où il se combine avec l’hydrogramme du bassin B5. L’hydrogramme du bassin équivalent : B15 = (B12 // B34) + B5 donnant le débit de pointe Qp15 permettant de dimensionner le tronçon CF. A Ac B

Bc

B1

B2

B6 C

F

Ou ed

STEP

G

B5

B3 B4

Cc Fc Ec E

Dc

D

Détermination des débits de pointe des EP

Plusieurs problèmes qui se posent: La transformation de la pluie en débit est fonction de la surface du BV et son degré d’imperméabilisation, La propagation et la combinaison des hydrogrammes à travers le réseau: Décalage dans le temps; Amortissement dû aux pertes de charge; Combinaison aux nœuds. Les caractéristiques de la pluie à prendre en compte qui font appel à la notion de risque à couvrir vis-à-vis les inondations.

Détermination des Débits de pointe des EP Modèle pluviométrique

Le débit de pointe se forme à partir d’une pluie. Le choix de cette pluie et de ces caractéristiques est donc un élément déterminant. Il s’agit de rechercher l’événement pluvieux considéré comme le plus menaçant pour la région, où se situe le projet étudié, correspondant à une période de retour choisie, en général T=10 ans (période décennale en assainissement pluvial). Le modèle pluviométrique utilisé introduit en fait une pluie de projet statistiquement équivalente aux pluies réellement observées.

Détermination des débits de pointe des EP Modèle de ruissellement

Deux modèles sont utilisés: La méthode superficielle de Caquot : Modèle plus simple proposé par les instructions techniques interministérielles de 1977 pouvant convenir pour les petits projets d’une superficie < 200 ha. La méthode du réservoir linéaire : Modèle conceptuel, le bassin étant considéré comme un réservoir recevant un apport (pluie) et se vidangeant (débit recherché)

Les précipitations

Les données des précipitations sont exploitées sous différentes formes: Hyétogramme: Histogramme des hauteurs d’eau (mm) en fct de la période de mesure. Courbes des hauteurs cumulées: Hauteurs cumulées en fonction du temps.

Intensité moyenne de l’averse: im= max ∆h/∆ ∆t

Intensité uniforme de l’averse Sur une aire géographique donnée, l’intensité de la pluie d’une averse décroît proportionnellement avec l’étendue de son impact au sol. On pourra utiliser l’une des formules suivantes:

i F = i (1 − 0,005 L) Frühling

Caquot

 L  i F = i 1 − 0,006  2   iC = A −0, 05 A en ha

Pour les bassins de forme ramassée Pour les bassins de forme allongée

Courbes IDF

Les intensités de précipitations sont considérées comme des variables aléatoires. Les hydrologues cherchent à définir des événements auxquels pouvait être associée une probabilité d’occurrence. Les modèles pluviométriques utilisés probabilistes empiriques.

sont

par

conséquent

des

modèles

Dans les méthodes visant à déterminer le débit de pointe du réseau, il est d’usage d’avoir recours aux courbes IDF traduisant l’évolution de l’intensité moyenne maximale iM en fonction de la durée de l’intervalle de temps ∆t et de la fréquence d’occurrence F, dont la formulation analytique correspond à la formule de Montana.

Courbes IDF Formule de Montana

i M (t , F ) = a ∆t b a et b sont des paramètres régionaux fonctions de la fréquence F ou de son inverse la période de retour

1 T= F

Zone Nord Atlas Récurrence

Zone Sud Atlas

a

b

a

b

10 ans

5,83

-0,60

2,69

-0,58

5 ans

4,86

-0,60

2,42

-0,58

2 ans

3,89

-0,60

2,15

-0,58

1 ans

2,92

-0,60

1,79

-0,58

Exemple : Données: T= 10 ans (pluie décennale); Intervalle de temps ∆t=15 mn; Valeurs régionales: a=5,83 et b= -0,60.

iM=1,15 mm/mn En exprimant en l/s/ha unité de l’assainissement urbain: iM=1,15 (104/60)= 191,6 l/s/ha

Caractéristiques d’un BV urbain Surface drainée Le découpage de l’agglomération obéit à 2 règles: -- Les points du réseau où l’on effectue les calculs de débit de pointe d’eaux pluviales sont les exutoires des BV; -- Les limites latérales des BV correspondent aux limites des surfaces bâties effectivement raccordés au réseau. A Ac B

Bc

B1

B2

B6 C

F

Ou ed

STEP

G

B5

B3 B4

Cc Fc Ec E

Dc

D

Caractéristiques d’un BV urbain Coefficient de ruissellement Cr Coefficient volumétrique mesurant l’importance des pertes à l’écoulement des eaux dans le bassin. Il en résulte la notion de pluie nette déduite de la pluie précipitée après abattement des pertes:

Pluie précipitée

pertes

pluie nette

In (t) = Cr. I(t)

Les différents types de pertes sont les suivants: Évaporation : négligeable en hydrologie urbaine; Interception par la végétation, Infiltration; Rétention de surface: consistant en un stockage permanent de l’eau dans les dépressions du sol.

Caractéristiques d’un BV urbain Coefficient de ruissellement Cr

Cr =

Aimp A

Dans ce modèle, Cr est pris égal au taux d’imperméabilisation

L’évaluation de Cr est l’élément déterminant de tout projet hydraulique. Habitation très denses: Cr= 0,9 Habitations denses: Cr= 0,6 à 0,7 Habitations moins denses: Cr= 0,4 à 0,5 Quartiers résidentiels: Cr= 0,2 à0,3

Caractéristiques d’un BV urbain Temps de concentration tc La goutte tombée en un point M du BV, ruisselle selon le trajet MN (gouttières, caniveaux) pendant un temps t1 et s’écoule dans le collecteur entre les points N et O O pendant un temps t2.

N

La durée totale de l’écoulement est t= t1+t2

La durée maximale de l’écoulement dans le bassin est appelé temps de concentration:

t C = max (t1 + t 2 )

En pratique, ce temps peut être mesuré à l’aide d’un traceur injecté dans l’eau (fluorescéine)

M

Caractéristiques d’un BV urbain Temps d’entrée

Il s’inscrit dans la fourchette de 5 à 20 mn

Formule de Kirpich

t e = 0,0195 ⋅ L0, 77 ⋅ I −0 ,385

te: temps d’entrée en mn; L: longueur du plus long parcours de ruissellement par rapport à l’exutoire; I: pente pondérée sur le parcours L en m/m

Le ruissellement urbain

L’effet de l’urbanisation sur le ruissellement superficiel (cycle de l’eau):

Méthodes de calcul de ruissellement Méthode rationnelle Cette méthode est fondée sur le concept du tC du BV en amont du point où s’effectue le calcul. Elle admet les 3 hypothèses suivantes: -- Qp ne peut être observé que si l’averse à une durée au moins égal au tC; -- Qp est proportionnel à l’intensité moy. max. de l’averse déterminée avec un intervalle de temps égal à tc. Soit iM=a tcb. -- Qp a la même période de retour T que l’intensité iM qui le provoque. Ceci suppose que Cr soit constant. -- iM de l’averse (mm/h) est uniforme dans le temps et l’espace sur l’ensemble du bassin drainé. Dans ces conditions, à l’exutoire d’un BV de surface A, le débit de pointe Qp s’écrit:

QP = Cr ⋅ i M ⋅ A

Formule dite rationnelle

Méthodes de calcul de ruissellement Méthode de Caquot

 aµ  QP =    6 (β + γ )  b

1 1−bf

⋅ Cr

1 1− bf

⋅I

bc 1− bf

⋅A

(1−ε ) + bd 1− bf

Cinq variables: A, C, I, L, T Neuf paramètres: a, b, ε paramètres de la pluie; β + γ caractérisant le mode de transformation de la pluie en débit; µ, c, d, f: caractérisant le BV.

Méthodes de calcul de ruissellement Méthode de Caquot Les paramètres

a et b sont fonction de la période de retour T selon les courbes IDF Abattement spatial ε est fonction de tC, généralement pris égal à 0,05 (INT 77). β+ γ= 1,1 en moyenne (INT 77) Pour des BV