Correction Exam Hydro Urbain [PDF]

Zitiervorschau

Université Mohammed Premier Ecole Nationale des Sciences Appliquées Al Hoceima

Filière : Génie Civil (S3) Année universitaire 2017/2018 Pr. S. BENGAMRA

Examen de l'hydrologie urbaine (1h 30) Exercice 1: (4 pts) Enoncé: 1) Expliquer l'effet de l'urbanisation sur le cycle hydrologique. 2) Quels sont les intérêts des études hydrologiques en milieu urbain? Réponse: 1) L'urbanisation affecte le cycle hydrologique sur le plan quantitatif et qualitatif. Sur le plan quantitatif la ville substitue les superficies perméables par des zones imperméables bâties et entraine l':  augmentation de la vitesse et du volume des crues;  diminution de l’infiltration naturelle:  réduction de l’évaporation;  augmentation de la fréquence des inondations;  accroissement de débit de pointe de deux à cinq fois;  réduction du temps de concentration;  artificialisation des rivières urbaines;  augmentation des fréquences d'inondation;  circulation rapide de l’eau dans les collecteurs induisant leur saturation. Sur le plan qualitatif, l'urbanisation entraine la pollution des eaux pluviales et des milieux récepteurs par le:  lessivage de l'atmosphère chargée de polluants atmosphériques;  augmentation de la consommation d'eau;  augmentation des rejets liquides:  accroissement de la charge organique et azoté de l'eau;  réduction de l’évaporation. 2) Les intérêts des études hydrologiques en milieu urbain sont multiples:  Comprendre le cycle hydrologique dans la ville; apprendre à le modéliser; connaitre l’effet de l’urbanisation, etc.;  Évaluer des débits de pointe en eau usée (EU) et eau pluviale (EP);  Concevoir et dimensionner un réseau d’assainissement (collecteurs et ouvrages de traitement);  Diagnostiquer un réseau d’assainissement existant;  Sensibiliser aux techniques alternatives aux réseaux traditionnels (type unitaire);  Savoir proposer des solutions alternatives à des problèmes d’inondation en milieu urbain. Exercice 2: (6 pts) Enoncé: L'hydrogramme de ruissellement mesuré à l'exutoire d'un bassin versant est donné par le tableau suivant: Temps (jours) Débit Q (m3/s) Temps (jours) Débit Q (m3/s)

1 35 9 37,3

2 31,4 10 36,9

3 34,3 11 35,7

4 250 12 35,1 1/5

5 140 13 34,9

6 89,6 14 34,8

7 57,4 15 34,7

8 43 16 34,6

1) Séparer l'écoulement de base du ruissellement de surface à l'aide de deux méthodes. 2) Calculer le volume de ruissellement de surface pour chaque méthode. Réponse: 1) Pour la séparation de l'écoulement de base du ruissellement de surface, nous allons utilisé les deux méthodes illustrées dans la figure et le tableau 1 ci-dessous. La méthode AB est la méthode la plus simple, elle est évoquée par Blavoux (1978). Elle consiste à tracer une droite horizontale du point (A) qui marque le début de la courbe de concentration jusqu’à l’intersection (B) avec la courbe de tarissement. La méthode ACD consiste à prolonger la courbe de ruissellement avant l’averse jusqu’au point (C), situé sur la verticale de la pointe de crue, et de connecter le point (C) avec le point (D). Ce point est déterminé par l'intersection formée après avoir prolongé les courbes de décrue et de tarissement qui deviennent linéaires lorsqu’une transformation logarithmique de l’axe des ordonnées est effectuée (tableau 2).

Jour J

Débit Q (m3/s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

35 31,4 34,3 250 140 89,6 57,4 43 37,3 36,9 35,7 35,1 34,9 34,8 34,7 34,6

Débit de base Méthode AB 35 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4 31,4

Ruissellement (m3/s) Méthode AB 0 0 2,9 218,6 108,6 58,2 26 11,6 5,9 5,5 4,3 3,7 3,5 3,4 3,3 3,3 = 458,8 Tableau 1

2/5

Débit de base Méthode ACD 35 31,4 27,8 24,2 26,32 28,43 30,55 32,67 34,78 36,9 35,7 35,1 34,9 34,8 34,7 34,6

Ruissellement (m3/s) Méthode ACD 0 0 6,5 225,8 113,68 61,17 26,85 10,33 2,52 0 0 0 0 0 0 0 = 446,85

Jour

Débit (m3/s)

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

250 140 89,6 57,4 43 37,3 36,9 35,7 35,1 34,9 34,8 34,7

Logarithme (Ln) 5,52 4,94 4,49 4,05 3,76 3,61 3,608 3,575 3,558 3,552 3,549 3,546

Taux de variation --0,580 (5,52 - 4,94) 0,450 (4,94 - 4,49) 0,440 (4,49 - 4,05) 0,290 (3,76 - 4,05) 0,150 (3,61 - 3,76) 0,002 (3,608 - 3,61) 0,033 (3,575 - 3,608) 0,017 (3,558 - 3,575) 0,006 (3,552 - 3,558) 0,002 (3,549 - 3,552) 0,002 (3,546 - 3,549)

Tableau 2

2) Le volume de ruissellement de surface pour la méthode AB: VAB=.458,8 m3/s * (24*60*60) s = 39 640 320 m3. Le volume de ruissellement de surface pour la méthode ACD: VACD=.446,85 m3/s * (24*60*60) s = 38 607 840 m3. Exercice 3: (6 pts) Enoncé: Le temps de concentration d'un bassin urbain de forme rectangulaire est tc= 20 minutes. On considère trois scénarios d'orages: 60 mm/h durant 15 minutes; 50 mm/h durant 20 minutes; 40 mm/h durant 25 minutes. Parmi les trois scénarios, lequel génère: 1) Le débit de pointe le plus élevé? 2) Le volume de ruissellement le plus élevé? Réponse: Selon la méthode rationnelle: Q = K . C. i. A Qp = débit de pointe en m3/s A = surface du bassin versant en km2 (A < 200 km²) i = intensité max de la pluie en mm/h K=1/3,6 constante d’homogénéisation des unités C = coefficient de ruissellement

Il faut noter que pour atteindre le débit de pointe, le temps de pluie doit correspondre au temps de concentration. Scénario 1: Tp=15 min (Tp: Temps de pluie) Qp= 60 x (15/20) x K. C. A = 45 K. C. A V= (45. K. C. A). 20 = 900 K.C.A Scénario 2: Tp=tc=20 min Qp= 50 x (20/20) x K. C. A = 50 K. C. A 3/5

V= (50. K. C. A). 20 = 1000 K.C.A Scenario 3: Tp= 25 min > tc (Tp=tc+5 min) Qp= 40 x (20/20) x K. C. A = 40 K. C. A V= (40. K. C. A). (20+5) = 1000 K.C.A 1) Le scénario 2 a le débit de pointe le plus élevé. 2) Les deux scénarios 2 et 3 ont le volume de ruissellement le plus élevé. Exercice 4: (4 pts) Enoncé: Avant urbanisation, un bassin de drainage d'une superficie de 5 km² est complètement recouvert d'une forêt (C=0,3). La pente représentative du bassin est de 2,5% et la longueur maximum du parcours le plus éloigné de l'exutoire du bassin est L=3,25 km. Un ingénieur à calculé le diamètre d'un ponceau en béton de section circulaire pour drainer ce bassin pour une pluie décennale dont l'intensité en mm/h est donnée par: 𝐼 =

2743 𝑡+14

, t étant le temps en

minutes. Le ponceau a une longueur de 20 m et est installé avec une pente de 1%. Il doit couler plein, sans se mettre en charge, pour le débit de conception. Pour calculer le temps de concentration en minutes, l'ingénieur a utilisé la formule

𝑡𝑐 = 3,26(1,1 − 𝐶)

𝐿

; où C est le coefficient de ruissellement, L est la longueur de parcours hydraulique en mètre et S est la pente du bassin en %. 𝑆1 3

Après urbanisation où les surfaces pavées et asphaltées (C=0,9) représentent maintenant 50% du bassin total et les surfaces gazonnées (C=0,3) représentent 50%, On a constaté que le ponceau n'était plus adéquat, se mettait en charge et inondait la route. L'ingénieur suppose que la profondeur à la sortie du ponceau est égale à son diamètre (D).

𝑛 ×𝑄 𝐷= 0,3117 × 𝑆 1

3 8 2

Q: le débit en m3/s, S: la pente du ponceau sans unité et n une constante égal à 0,014 pour le béton. -- Calculer le temps de concentration, le débit et le diamètre nécessaire pour une conduite sans mise en charge avant et après urbanisation. Réponse: Avant urbanisation: Le coefficient de ruissellement: C= 0,3 Le temps de concentration: tc = 3,26 1,1 − C 2743

L'intensité de pluie: 𝐼 = 𝑡+14 =

2743 109,58+14

L S1 3

3250

= 3,26 1,1 − 0,3 . 2,50.333 = 109,58 min

= 22,19 mm/h

La surface du bassin: 𝐴 = 5 𝑘𝑚² = 500 ℎ𝑎 1

Le débit par la méthode rationnelle: : 𝑄 = 3,6 × 0,3 × 5 × 22,19 = 9,47 𝑚3 /𝑠 4/5

Le diamètre de la sortie du ponceau plein sans mise en charge: 𝐷=

𝑛 ×𝑄 0,3117 × 𝑆 1

3 8

=

2

0,014 × 9,47 0,3117 × 0,011

3 8

= 1,72 𝑚

2

Après urbanisation: Le coefficient de ruissellement: 𝐶 = 0,3 × 0,5 + 0,5 × 0,9 = 0,6 Le temps de concentration: tc = 3,26 1,1 − C 2743

L'intensité de pluie: 𝐼 = 𝑡+14 =

2743

L S1 3

3250

= 3,26 1,1 − 0,6 . 2,50.333 = 68,49 min

= 33,26 mm/h

68,49+14

La surface du bassin: 𝐴 = 5 𝑘𝑚² Le débit par la méthode rationnelle: 𝑄 =

1 3,6

× 0,6 × 5 × 33,26 = 27,72 𝑚3 /𝑠

Le diamètre nécessaire pour une conduite pleine sans mise en charge est: 𝑛 ×𝑄 𝐷= 0,3117 × 𝑆 1

3 8 2

0,014 × 27,72 = 0,3117 × 0,011 2

3 8

= 2,57 𝑚

Le développement urbain a réduit le temps de concentration et a augmenter le débit de pointe. Le résultat de ce développement est de tripler le débit que la conduite originale n'est plus capable d'évacuer. le diamètre requis pour drainr le débit après urbanisation devrait être de plus d'un mètre supérieur à celui de la conduite originale. Donc, cette situation explique l'inondation survenue.

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