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Méthodes de dimensionnement des ouvrages de stockage (HU)

De Wikibardig

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Traduction anglaise : Design méthods for storage facilities

Dernière mise à jour : 31/01/2022

Cet article fait partie de toute une série d'articles traitant des solutions durables de gestion des eaux pluviales urbaines et comprenant en particulier trois articles de portée générale :

  • l'article "Solutions de gestion durable des eaux pluviales urbaines (HU)" qui constitue un texte introductif visant à préciser le vocabulaire utilisé dans le domaine de la gestion des eaux pluviales, et tout particulièrement celui que l'on associe à leur gestion durable ;
  • l'article "Solution alternative (HU)" qui s'attache à présenter les différentes solutions possibles et la façon de les distinguer et de les choisir ;
  • cet article qui a pour objectif de présenter les différentes méthodes de conception des ouvrages hydrauliques de stockage (bassins de retenue et solutions alternatives) et de donner les éléments permettant de choisir la méthode de dimensionnement la mieux adaptée en fonction du problème à traiter.

Sommaire

L'essentiel

Les ouvrages de stockage des eaux pluviales visent à stocker provisoirement l’eau pluviale de façon à soulager l’aval. En milieu urbain, ils peuvent être utilisés de différentes façons et principalement sous la forme de :

  • Solutions très diverses de gestion à la source ;
  • Grands bassins de retenue à l’aval d’un réseau séparatif pluvial ou insérés à l’intérieur d’un réseau existant.

Dans tous les cas ils doivent être conçus pour répondre à différents objectifs techniques (lutte contre les inondations, piégeage des polluants), mais également pour répondre à des problématiques urbaines, écologiques ou sociales variés. Ils doivent également rendre un niveau de service adapté à la sévérité de la sollicitation pluvieuse et respecter la réglementation. Cet article traite principalement de leur dimensionnement en termes hydrologiques et pour lequel différentes méthodes peuvent être utilisées : méthode des pluies, méthode des volumes, diverses méthodes des débits, utilisation de modèles de simulation hydraulique. Toutes ces méthodes présentent des avantages et des inconvénients et le choix de la méthode à utiliser dépend de la nature du problème à traiter, des enjeux et de la phase d’étude. Les données pluviométriques nécessaires (et plus généralement les données climatologiques) sont également très différentes selon la méthode choisie. En tout état de cause, quel que soit le problème à résoudre, il existe toujours une méthode adaptée dont l’utilisation peut être conseillée.

Diversité des contextes

Les ouvrages de stockage peuvent prendre des formes très diverses dans les systèmes d'assainissement et en particulier dans les systèmes de gestion des eaux pluviales urbaines : diversité des aspects, des lieux d'implantation, des volumes concernés et des objectifs poursuivis. Dans tous les cas, leur fonction hydrologique principale est de fournir un volume tampon permettant de stocker l'excédent d'eau lorsque la capacité d'évacuation est inférieure aux entrées.

L'évacuation peut continuer à se faire en totalité dans le système d'assainissement traditionnel, dans ce cas la fonction hydrologique de l'ouvrage est simplement de diminuer les pointes de débit à l'aval et de ralentir les écoulements (voir Bassin de Stockage-Restitution / BSR (HU)). A l'opposé, elle peut se faire vers un autre exutoire, le plus souvent le sol par infiltration (voir Bassin d'infiltration (HU)) ; dans ce cas l'ouvrage permet également de diminuer les volumes et les masses de polluants s'écoulant dans le système d'assainissement. Elle peut aussi se faire en partie vers le réseau d'assainissement et en partie vers un autre exutoire. Dans tous les cas le fait de stocker momentanément l'eau, et donc de diminuer fortement les vitesses d'écoulement, permet une décantation plus ou moins importante et donc un piégeage au moins provisoire des polluants liés aux matières déposées (voir Maîtrise des rejets urbains de temps de pluie (HU)). Ce piégeage des polluants et encore plus efficace si l'eau est infiltrée ou évapotranspirée.

La plupart de ces ouvrages, à part peut-être les ouvrages de stockage enterrés, ont un impact sur l’aménagement urbain à plusieurs échelles (immeuble, opération, quartier, voir la ville dans son ensemble). Ils deviennent alors des lieux de confrontation de plusieurs politiques urbains ce qui peut compliquer la conception des ouvrages (voir Solutions de gestion durable des eaux pluviales urbaines (HU)). Des fonctions qualifiées de complémentaires par les techniciens de l’assainissement peuvent même constituer de fait les fonctions principales et ce sont les fonctions hydrologiques qui deviennent les fonctions secondaires. Dans ce cas il n'est alors plus approprié de parler d'ouvrage mais plutôt d'espace à gérer.

Pour bien analyser ces différentes situations, il est possible de distinguer trois modes principaux d'introduction des ouvrages de stockage dans les réseaux :

  • le plus à l'amont possible (gestion à la source),
  • sous la forme d'un ouvrage de plus grande taille servant d'exutoire (ouvrage "au bout du tuyau"),
  • à l'intérieur du réseau.

Les spécificités de chacun de ces modes sont présentées dans les § suivants.

Gestion à la source

La gestion à la source consiste à mettre en place des solutions de gestion de l'eau de pluie au plus près de l'endroit où les gouttes atteignent le sol. Les solutions possibles sont extrêmement variées : stockage en surface, noues, tranchées, revêtements perméables, toitures stockantes et/ou végétalisées, etc. (voir Solution alternative (HU)). La difficulté principale consiste à intégrer la solution dans l'aménagement. En effet, dans la plupart des cas il ne s'agit pas d'ouvrages dédiés mais d'espaces adaptés pour remplir leur fonction de stockage provisoire des eaux pluviales en plus de leur fonction urbaine principale. Les problèmes posés par leur conception vont donc bien au-delà de leur simple dimensionnement hydrologique : le choix de la nature, de la position et de l'aspect des solutions doit être effectué en lien avec le travail sur le plan masse et la topographie (figure 1). Les solutions doivent cependant être correctement dimensionnées pour éviter des dysfonctionnements ultérieurs susceptibles de nuire à leur acceptation, et donc à leur entretien correct, par les riverains.


Figure 1 : De petites réservations au milieu des espaces aménagés fournissent des opportunités simples de gestion à la source à la condition de les décaisser un peu par rapport aux surfaces actives voisines ; malgré leur simplicité apparente les solutions de ce type doivent cependant être correctement dimensionnées ; crédit photo Bernard Chocat.

Ouvrage de stockage avant rejet dans le milieu naturel

Les ouvrages centralisés, parfois dits "au bout du tuyau" par analogie avec la terminologie anglaise ("end of pipe"), c'est à dire implantés à l'aval d'un grand bassin-versant, ont constitué la première génération de solutions alternatives mises en place dans les années 70-80. Dans la plupart des cas il s'est agi de grands bassins de retenue, parfois au moins partiellement en eau, et construits à l'exutoire de bassins versants de plusieurs centaines, voire plusieurs milliers d'hectares, drainés par un réseau strictement pluvial. Leur exutoire était alors le sol et la nappe phréatique (cas des grands bassins d'infiltration de la Métropole de Lyon) ou de petits cours d'eau existant avec un débit de vidange régulé (bassins de retenue de Marne la Vallée ou de l'Isle-d'Abeau). Cette solution constitue également depuis près d'un demi-siècle la solution de base pour gérer les eaux de ruissellement des plates-formes routières et autoroutières avec probablement des milliers de réalisations rien que sur le territoire métropolitain. De tels ouvrages continuent d'être construits dans le cadre d'aménagements urbains, avec des exigences de plus en plus sévères concernant leur intégration paysagère et une réflexion sur les usages multiples possibles des espaces mobilisés. Du fait de leur fonction et de leur position, ces ouvrages doivent être capables de faire face à toutes les sollicitations pluvieuses, y compris les plus sévères (figure 2).


Figure 2 : Vue aérienne orientée vers le sud - ouest du Bassin de la Molette en Seine-Saint-Denis, dans sa configuration actuelle : tout-à-fait en bas à gauche, l’autoroute A1 ; en bas, le premier compartiment, sec et revêtu ; plus haut à gauche, le compartiment intermédiaire, sec, perméable et enherbé ; plus haut encore, le dernier compartiment, en eau et perméable ; tout-à-fait en haut le début du Parc Georges Valbon ; Crédit photo : Département de la Seine-Saint-Denis (DEA).

Ouvrage de stockage en réseau

Les ouvrages de stockage en réseau ont été imaginés pour soulager les parties aval des réseaux et diminuer ainsi la fréquence et la gravité des inondations dues à leurs débordements. Ultérieurement d'autres objectifs sont apparus, en particulier la volonté de limiter la fréquence et l'importance des rejets de temps de pluie par les déversoirs d'orage. Selon le cas l'ouvrage doit être capable de faire face à des sollicitations plus ou moins sévères. La difficulté principale de réalisation de ce type d'ouvrage consiste à trouver l'espace nécessaire dans un milieu urbain extrêmement contraint. Beaucoup de ces ouvrages sont ainsi des bassins enterrés, aux dimensions parfois gigantesques (figure 3). Les contraintes principales sont le coût et les modalités d'exploitation, notamment dans le cas d'ouvrages enterrés dédiés au stockage d'effluents unitaires. Le problème n'est pas tant le dimensionnement pour atteindre un objectif que l'optimisation de l'espace disponible.


Figure 3 : Certains bassins de retenue enterrés ont des dimensions impressionnantes comme ici le bassin Ganay à Marseille ; crédit photo SERAM.

Diversité des objectifs du dimensionnement

Principes de base

Parler de dimensionnement pour un ouvrage de stockage signifie que l'on fait référence à une fonction technique dont la qualité de réalisation dépend des dimensions qui lui sont attribuées. Le terme regroupe cependant des sens assez différents selon les acteurs et les moments de l'étude. Il peut s'agir :

  • d'un dimensionnement strictement hydrologique consistant principalement à fixer le débit de fuite et le volume maximum, cette approche peut être suffisante au moment des phases préliminaires de l'étude ;
  • d'un dimensionnement au sens strict visant à déterminer les dimensions géométriques de l'ouvrage : surface, longueur, largeur, profondeur, cette étape est nécessaire car le débit de fuite et le volume à stocker dépendent souvent des dimensions géométriques de l'ouvrage ;
  • d'une étape de conception plus avancée où l'on s'attache à positionner l'ouvrage dans l'espace en respectant les dimensions précédentes, mais également le plan masse de l'aménagement et la topographie.

Diversité des objectifs

Les fonctions techniques de nature hydrologique pour lesquelles on dimensionne une solution sont au nombre de deux :

  • dimensionnement en vue de contrôler les débits s'évacuant vers l'aval ;
  • dimensionnement en vie de contrôler les flux de polluants.

Par ailleurs, selon la nature des ouvrages, d'autres aspects peuvent nécessiter soit un dimensionnement au sens strict, soit la vérification de contraintes nécessaires à l'atteinte des autres objectifs que l'on peut avoir. Par exemple :

  • dimensionnement mécanique dans le cas d'une chaussée à structure réservoir (figure 4) ;
  • conception adéquate (sécurité des personnes, qualité biologique et esthétique du milieu, etc.) dans le cas d'un ouvrage totalement ou partiellement en eau ;
  • calcul de la quantité d'eau à stocker en fonction des usages dans le cas d'une récup-utilisation de l'eau de pluie ;
  • etc.


Figure 4 : Une chaussée à structure réservoir doit être dimensionnée de façon à avoir une capacité de stockage suffisante pour gérer les événements pluvieux pour laquelle elle a été mise en place, mais également de façon à supporter les charges dues aux véhicules qui vont l'emprunter ; Source : Adopta.

Seules les deux fonctions de nature hydrologique sont traitées dans la suite de cet article.

Niveau de service à atteindre en fonction de la sévérité de la sollicitation pluvieuse

Le dimensionnement hydrologique doit être effectué de façon à rendre le service attendu pour tous les types de sollicitations pluvieuses. Ceci s'applique bien évidemment au niveau de sévérité de la sollicitation (figure 5), mais également à sa nature : saison, durée, répartition des intensités, etc.


Figure 5 : Les niveaux de service à atteindre, les objectifs à prioriser et les solutions à mettre en œuvre sont différents selon le niveau de la sollicitation pluvieuse ; les objectifs pris en compte dans cette figure sont les suivants : Objectif 1 : Éviter les nuisances locales (eau stagnante, boue, etc.) et les risques sanitaires associés ; Objectif 2 : Limiter la pollution apportée aux milieux aquatiques ; Objectif 3 : Contrôler les risques d’inondation localement et à l’aval ; Source : Chocat et al. (2022a), adapté de CERTU (2003).

Dimensionner un ouvrage uniquement pour un type de sollicitation répondant à un niveau de sévérité donné (par exemple calcul du volume de stockage nécessaire pour faire face à un événement de fréquence décennale) est donc insuffisant et il est nécessaire d'étudier de façon plus précise comment l'aménagement se comportera pour différents types de sollicitations.

Dimensionnement hydraulique

En France, ce type de dimensionnement est le plus fréquemment mis en œuvre car il correspond à la fonction historique des ouvrages de gestion des eaux pluviales. Il vise à dimensionner l'ouvrage dans le but de diminuer la fréquence et l'importance des inondations. Cet objectif se décompose en deux sous-objectifs complémentaires :

  • un objectif global consistant à concevoir l'ouvrage de façon à mieux maîtriser les risques d'inondation à son aval ; ce sous-objectif peut se formuler par les questions suivantes :
    • Quelle sévérité de sollicitation pluvieuse doit-on choisir pour dimensionner l'ouvrage ?
    • Quel débit de fuite est acceptable pour l'aval en fonctionnement normal (pour les sollicitations pluvieuses plus faibles que la sollicitation de référence) ?
    • Comment protéger l'aval des flux excédentaires en cas de sollicitations pluvieuses plus sévères que celle choisie comme référence ?
  • un objectif local consistant à concevoir l'ouvrage de façon à limiter les conséquences d'un sous-dimensionnement en termes de débordement ; ce sous-objectif peut se formuler par les questions suivantes :
    • quel volume donner à l'ouvrage, en lien avec son débit de restitution, pour éviter qu'il ne déborde pour une sollicitation pluvieuse dont la sévérité est plus faible que celle choisie comme référence ?
    • comment gérer le volume excédentaire produit par des sollicitations pluvieuses plus sévères que celle choisie comme référence de façon à éviter des conséquences graves en termes économiques et surtout humains ?

Selon les cas l'ouvrage peut être mis en place pour répondre principalement à l'un ou l'autre de ces sous-objectifs. Il arrive également souvent que le sous-objectif associé à la protection de l'aval soit pris en compte, de façon plus ou moins adroite, par la réglementation (voir § plus bas traitant cet aspect). Enfin, en cas d'enjeux importants, l'objectif local peut conduire à reconsidérer la sévérité de sollicitation pluvieuse à choisir pour dimensionner l'ouvrage.

Dimensionnement en termes d'interception des polluants

La fonction de piégeage des polluants est également de plus en plus souvent prise en compte car les rejets urbains de temps de pluie jouent un rôle important dans la dégradation de la qualité des milieux aquatiques de surface. Les conséquences de ces rejets sont cependant très différentes selon les milieux (voir Impact (des rejets urbains sur les milieux aquatiques) (HU)). De ce fait les indicateurs à réduire peuvent également être très différents, en nature (matière organique, MES, métaux, pathogènes, micropolluants, etc.), mais également en forme (masse annuelle totale, fréquence des apports, masse apportée par un événement critique, etc.).

De plus il existe souvent une confusion entre la pollution piégée dans l'ouvrage et la pollution évitée. Par exemple l'eau et les polluants qu'elle contient qui seront interceptés par un bassin d'orage seront le plus souvent restitués intégralement au réseau à la fin de l'événement pluvieux. La pollution piégée sera donc nulle. En revanche la pollution évitée pourra être importante si le stockage provisoire permet d'éviter des rejets par les déversoirs d'orage en conduisant plus de flux vers la station d'épuration. A l'inverse, une pollution piégée dans un ouvrage jouant un rôle de décantation peut être renvoyée ultérieurement au milieu récepteur si les dépôts ne sont pas correctement gérés.

Il est à noter que certains ouvrages peuvent jouer un rôle différent selon que l'on s'intéresse à la pollution piégée ou aux rejets évités. Par exemple un ouvrage d'infiltration à la source installé dans le cadre d'une opération de déconnexion des surfaces aménagées va piéger localement les polluants contenus dans l'eau pluviale qu'il reçoit mais va peut-être également éviter des rejets par les déversoirs d'orage situés à l'aval du fait du volume intercepté.

L'objectif de piégeage des polluants conduit donc à se poser les questions suivantes :

  • Quelles sont les polluants prioritaires à contrôler ?
  • Quel est le critère déterminant à prendre en compte (diminution de la masse annuelle totale rejetée, diminution du nombre de rejets, suppression du rejet (ou pourcentage de diminution de la masse rejetée) pour un événement de fréquence donnée, etc.) ?
  • Comment évalue-t-on ce critère (en termes d'interception ou en termes de rejet) ?

Les critères de dimensionnement seront donc différents selon le type d'ouvrage et le contexte et, comme pour les critères de dimensionnement hydraulique, ils seront le plus souvent contraints par la réglementation.

Contraintes réglementaires possibles et liens avec les critères de dimensionnement

Les réglementations concernant la gestion des eaux pluviales ont pu être écrites dans un but de lutte contre les inondations et/ou de diminution des rejets polluants. Chocat et al. (2022b) ont recensé 4 familles principales de règles possibles :

  • Type 1 : Zéro rejet : Obligation de conserver sur la surface de l'opération d’aménagement la totalité des volumes d'eau produits par toutes les pluies tant que la période de retour est inférieure à une valeur donnée ;
  • Type 2 : Débit de fuite imposé : Possibilité de rejeter la totalité des volumes d'eau produits par toutes les pluies (tant que la période de retour est inférieure à une valeur donnée) à condition que le débit de rejet ne dépasse pas une valeur de référence exprimée en valeur absolue (m3/h) ou en valeur spécifique (m3/h/ha) ;
  • Type 3 : Abattement volumique : Obligation de conserver sur la surface de l'opération d’aménagement la totalité des volumes d'eau produits par toutes les pluies pour lesquelles la hauteur totale précipitée est inférieure à $ p $ mm (ainsi que le volume produit par les $ p $ premiers mm pour les pluies plus importantes) ; aucune contrainte sur le débit maximum de rejet ;
  • Type 4 : Double vidange : Obligation de conserver sur la surface de l'opération d’aménagement la totalité des volumes d'eau produits par toutes les pluies pour lesquelles la hauteur totale précipitée est inférieure à $ p $ mm (ainsi que le volume produit par les $ p $ premiers mm pour les pluies plus importantes) ; possibilité de rejeter le volume excédentaire à condition que le débit de rejet ne dépasse pas une valeur de référence exprimée en valeur absolue (m3/h) ou en valeur spécifique (m3/h/ha).

Ces contraintes réglementaires conditionnent de façon différente la conception des ouvrages :

  • les règles de type 2 sont essentiellement destinées à diminuer les risques d'inondation à l'aval et éventuellement les rejets par les déversoirs d'orage ; elles imposent le débit de fuite (le débit de restitution total peut cependant être supérieur au débit de fuite vers l’aval, par exemple dans le cas d'un ouvrage infiltrant) mais n'imposent rien en terme d'interception de polluants ;
  • à l'opposé les règles de type 3 ne jouent (presque) aucun rôle en terme de diminution des débits à l'aval ou de diminution des masses de polluants rejetés pour les événements forts ; en revanche, elles permettent de diminuer la masse annuelle rejetée et éventuellement la fréquence des rejets.
  • les règles de type 4, et surtout de type 1 jouent un rôle positif pour tous les objectifs mais sont également celles qui contraignent le plus, parfois de façon excessive, le dimensionnement des ouvrages.

Dans tous les cas une seule règle, voire même une seule famille de règles, est insuffisante pour permettre à l'autorité organisatrice d'imposer une conception des ouvrages permettant d'atteindre les différents objectifs visés pour toutes les formes de sollicitations pluvieuses (Chocat et al., 2022b). Si le maître d'ouvrage de l'opération souhaite atteindre ces objectifs, il devra donc le plus souvent aller au-delà du simple respect de la réglementation.

Données à connaître

Coefficient d'apport et surface active

Pour le dimensionnement des ouvrages de stockage on se préoccupe principalement du rapport entre le volume d'eau émis par le bassin-versant (ou volume d'eau écoulé) et le volume d'eau précipitée que l'on appelle coefficient d'apport. Le produit de ce coefficient d'apport par la surface totale des zones susceptible de contribuer au remplissage de l'ouvrage constitue la surface active.

Le coefficient d'apport est très loin d'être constant et dépend de multiples paramètres : saison, pluviométrie antécédente, hauteur totale précipitée, valeurs des intensités de pluie, etc. En l'absence de mesures il est cependant nécessaire d'estimer le coefficient d'apport en fonction des caractéristiques du bassin versant. Les pluies les plus pénalisantes pour les ouvrages de stockage-infiltration (même à l'exutoire de petits bassins versants) sont généralement des pluies longues et peu intenses (la durée de pluie la plus pénalisante dépend du débit spécifique de restitution et non du temps de concentration). Pour évaluer un ordre de grandeur il est possible d'utiliser les règles suivantes :

  • une partie de la pluie précipitée sur les surfaces imperméables de voirie connectées à l'ouvrage peut s'infiltrer (en fonction de l'état du revêtement, on estime que la capacité d'infiltration des surfaces de voirie est comprise entre 0,3 mm/h et 3 mm/h) ; de même une partie de l'eau précipitée sur les toitures terrasses va y rester stockée et s'évaporer ultérieurement ; il est cependant conseillé de prendre un coefficient d'apport de 1 pour les surfaces aménagées, du moins pour les pluies les plus fortes ;
  • selon la pente et la capacité d'infiltration du sol de surface, les surfaces non revêtues (même végétalisées) peuvent contribuer significativement à l'alimentation de l'ouvrage (voir la figure 6) ;
  • dans tous les cas il est nécessaire de prendre en compte la surface de l'ouvrage lui-même dans la surface active (sauf dans le cas d'un ouvrage souterrain situé sous une surface imperméable) et avec un coefficient d'apport de 1.


Figure 6 : Abaque de calcul du coefficient d'apport des surfaces de pleine terre pris en compte par le logiciel Parapluie pour les pluies dimensionnantes en fonction de la pente moyenne du terrain et de la capacité d'infiltration du sol de surface exprimée en mm/h.

Nota : Dans le cas d'une gestion des eaux pluviales à la source la notion de coefficient d'apport perd l'essentiel de son sens et peut conduire à des raisonnements erronés. On s’intéresse en effet à ce qui se passe à l’intérieur de la zone aménagée et non à ce qui en sort. Il n'y a par exemple plus de différence évidente entre les surfaces d'apport et les espaces utilisés pour stocker l'eau (une toiture stockante ou une chaussée à structure réservoir ont par exemple les deux statuts). Le meilleur raisonnement consiste donc à se demander quel est le devenir de toutes les gouttes d'eau qui vont être reçues sur la zone aménagée, ceci pour les différents types de précipitation (voir Coefficient de ruissellement (HU)).

Capacité d'infiltration

Les ouvrages de stockage, et en particulier les ouvrages de stockage à la source, utilisent, au moins en partie, l’infiltration pour restituer l’eau de pluie au milieu naturel. La capacité d’infiltration des sols constitue alors le paramètre le plus important pour le dimensionnement correct des ouvrages. Comme ce paramètre est susceptible de varier beaucoup d’un point à un autre (parfois d'une puissance de 10, paramètre $ K $ de la figure 7), particulièrement en zone urbaine, des mesures locales sont indispensables.


Figure 7 : Ce tableau met en évidence l'extrême variabilité de la taille des grains et de la capacité d’infiltration (paramètre $ K $) selon le type de sol

Pour que la valeur retenue soit la plus représentative possible, trois choix doivent être effectués : le type d’essai à mettre en œuvre, le nombre et la position des essais, l’interprétation des mesures. Ces choix doivent être faits en fonction des enjeux (importance du projet), de la connaissance a priori que l’on possède de l’ouvrage à construire (surface, position, profondeur) et du moment auquel les essais sont effectués (depuis l’étude préalable, pour étudier la faisabilité et potentialités du site, jusqu’au projet détaillé, pour affiner le dimensionnement des ouvrages). Notons que la capacité d’infiltration varie en fonction du temps, en fonction des saisons et de la pluviométrie, mais également du fait d'un possible colmatage. Il faudra donc tenir compte de ce phénomène lors du choix d'une valeur. Dans les projets les plus complexes, une étude préalable du sol visant à établir son profil pédologique peut être nécessaire.

L'article Capacité d’infiltration (HU) donne quelques informations sur la façon de faire ces différents choix.

Données pluviométriques et climatiques

La pluie constitue la cause qui initie les écoulements et donc qui justifie la construction de l'ouvrage. Sa représentation correcte est donc essentielle à son bon dimensionnement.

Selon le choix effectué, qui dépend du modèle hydrologique utilisé, les données nécessaires peuvent être plus ou moins importantes : depuis les coefficients $ a $ et $ b $ d'un ajustement de Montana dans le cas de l'utilisation des courbes intensité-durée-fréquence par exemple par la méthode des pluies, jusqu'à des séries chronologiques complètes de longue durée représentant la pluie dans ses dimensions spatiales et temporelles (utilisation de données au sol en lien avec des données radar) et l'évapotranspiration dans le cas de l'utilisation d'une méthode de simulation. Ces données peuvent également être scénarisées pour représenter différents scénarios d'évolution climatique.

En France, toutes ces données peuvent être achetées à Météo-France ou, pour de nombreuses grosses collectivités, sont directement disponibles sur le site.

Espace disponible et objectifs d'implantation

La dernière information importante consiste à décider de l'endroit où sera implanté l'ouvrage. Si cette donnée est souvent imposée par le foncier disponible dans le cas des ouvrages centralisés ou installés dans le réseau, ce n'est pas le cas des ouvrages à la source. En effet, dans ce cas, tous les espaces sont potentiellement utilisables selon la solution retenue. Le choix de la nature de la solution ainsi que la surface qu'elle va occuper doit donc être effectué au moment de la conception du plan masse de l'opération. Ce choix sera déterminant pour la suite du dimensionnement. Il faut en effet bien comprendre que, en particulier dans le cas d'un ouvrage infiltrant, la surface de l'ouvrage conditionne à la fois la surface d'apport, la surface d'infiltration (donc le débit de restitution) et bien évidemment le volume de stockage disponible.

Éléments de conception des ouvrages

Grandeurs à déterminer vis à vis du fonctionnement hydrologique

Les grandeurs à déterminer dépendent du mode de restitution.

  • Dans le cas d'un dispositif de vidange à débit imposé vers le réseau aval ou vers un milieu aquatique de surface, la grandeur hydrologique principale à déterminer est le volume de stockage nécessaire et le dimensionnement est simple.
  • Dans le cas inverse (qui se rencontre principalement pour les ouvrages intégrés au réseau) où le volume disponible est connu, la principale grandeur à déterminer est le débit de vidange, ou plus exactement la façon de gérer ce débit de vidange en fonction du remplissage de l'ouvrage et des hypothèses que l'on peut faire sur les débits incidents.
  • enfin, dans le cas des ouvrages de gestion à la source et principalement dans le cas des ouvrages infiltrants, ce sont les dimensions géométriques de l'ouvrage qu'il faut déterminer ; en effet, les dimensions de l'ouvrage, en particulier sa surface, jouent un rôle à la fois :
    • sur la surface active, donc sur le volume à gérer ;
    • sur la surface d'infiltration, donc sur le débit de fuite ;
    • sur le volume de l'ouvrage (figure 8).


Figure 8 : Exemple de dépendance entre les grandeurs hydrologiques et les dimensions géométriques : Dans le cas d'une tranchée infiltrante, modifier la longueur ou la largeur change la surface de l'ouvrage donc la surface active ; modifier la longueur ou la profondeur change la surface d'infiltration donc le débit de restitution ; modifier n'importe laquelle des dimensions change le volume de stockage disponible.

Une autre grandeur importante à maîtriser lors du dimensionnement est la durée maximum pendant laquelle l'ouvrage peut être en eau. Cette durée est importante à différents titres :

  • elle conditionne l'état de remplissage de l'ouvrage au début de l'événement en cas d'événements successifs ;
  • elle détermine la durée pendant laquelle l'espace occupé par l'ouvrage est indisponible pour un autre usage ;
  • elle joue un rôle important sur le risque de développement de moustiques, risque qui existe si elle dépasse plusieurs jours.

Méthodes utilisables et critères de choix de la méthode

Nota : Nous ne présenterons pas dans cet article les méthodes visant à dimensionner les ouvrages de façon à optimiser le piégeage des polluants. Ce problème est traité à part (voir Décantation (HU)).

Utilisation de statistiques de pluie

L'utilisation de statistiques de pluie est une méthode qui ne s'applique qu'au dimensionnement des ouvrages destinés à intercepter les volumes produits par les $ p $ premiers mm de pluie. Connaissant le nombre moyen annuel de pluies (ou de jours de pluie) pour lesquel(le)s la hauteur précipitée est supérieure à 1 mm, 2 mm, 3 mm, ..., n mm, etc. (donnée disponible auprès de météo-France), il est possible par des calculs très simples et avec l'hypothèse (très forte et peu réaliste) d'un coefficient d'apport constant, de déterminer le volume nécessaire :

  • pour intercepter tous les événements inférieurs à un seuil donné ; ou,
  • pour intercepter un pourcentage donné du volume annuel.

Cette méthode peut être beaucoup améliorée en faisant varier le coefficient d'apport et la capacité d'infiltration des sols, ce qui nécessite quelques calculs supplémentaires (voir par exemple l'outil Oasis).

Méthode des pluies

La méthode des pluies est une méthode très simple qui repose sur plusieurs hypothèses, en particulier :

  • les pluies sont de type bloc (pluies d'intensité constante) ;
  • l'ouvrage est totalement vide au début de la pluie ;
  • le coefficient d'apport est indépendant de la durée de la pluie.

Cette méthode a été améliorée par Chocat et Cherqui (2018) pour lever en particulier l'hypothèse d'un débit de restitution constant et commençant dès le début de la pluie. Elle ne nécessite en entrée que les valeurs des coefficients $ a $ et $ b $ d'un ajustement Montana des courbes IDF. On en trouvera une présentation détaillée à l'article Méthode des pluies (HU). Le schéma de la figure 9 en rappelle les principes dans le cas simple d'un débit de fuite constant commençant au début de la pluie.


Figure 9 : Principes de la méthode des pluies : le volume entrant est calculé en fonction de la durée de la pluie par un ajustement de Montana des courbes IDF correspondant à la période de retour choisie ; le volume sortant est calculé en multipliant le débit de restitution constant par la durée de la pluie ; le volume à stocker est maximum à la fin de la pluie ; du fait de l'allure des courbes il existe une durée de pluie particulière unique, $ d_1 $, qui maximise le volume à stocker pour la période de retour choisie ; l'ouvrage aura alors besoin d'une durée $ d_2 $ pour se vidanger totalement ; pour les pluies de durée supérieure à $ t_{ee} $, l’intensité moyenne sera inférieure au débit spécifique de vidange, $ t_{ee} $ représente donc la durée maximum pendant laquelle l'ouvrage peut être en eau.

Le principal inconvénient de cette méthode est lié à l'hypothèse que l'ouvrage est vide au début de la pluie. Comme la durée de vidange est souvent très supérieure à la durée de la pluie dimensionnante (surtout si le débit de restitution est faible), cette hypothèse est souvent fausse et conduit à sous-estimer de façon systématique les volumes nécessaires, particulièrement lorsque les débits de vidange spécifiques sont faibles (Desbordes, 1975). A titre d'exemple, la figure 10 construite avec les résultats de EC Eau (2017) compare les résultats fournis par la méthode des pluies avec ceux fournis par la méthode des volumes (voir § suivant) dans le cas de Rennes en utilisant la même série pluviométrique comme donnée d'entrée.


Figure 10 : Comparaison des résultats entre la méthode des pluies et la méthode des volumes ; Source : EC Eau, 2017

La méthode des pluies présente en revanche l'avantage de ne nécessiter que très peu de données pluviométriques, d'être très robuste et surtout de permettre le calcul direct de toutes les grandeurs (modèle de type décisionnel), ce qui la rend particulièrement utile dans les phases préliminaires d'études pour construire une solution initiale en testant un grand nombre de solutions possibles.

En l'absence de données locales disponibles dans beaucoup de collectivités, il est possible d'utiliser des ajustements de type Montana qui sont disponibles auprès de Météo-France pour chaque département et différentes périodes de retour. La principale précaution à prendre consiste à bien s’assurer que l’ajustement utilisé correspond bien aux durées pour lesquelles on réalise le calcul. En effet, les ajustements des courbes IDF ne sont valables que pour une plage particulière de durées (par exemple de 6 minutes à 2 heures) et peuvent conduire à des erreurs très importantes si on les utilise en dehors de cette plage de durée.

En particulier il ne faut pas utiliser les coefficients de l'IT 77, d'une part parce que le découpage de la France en trois régions pluviométriques homogènes est beaucoup trop simplificateur et d'autre part parce que ces coefficients correspondent à la plage de durée 6 mn à 2 heures alors que les pluies les plus défavorables pour les ouvrages de stockage sont généralement des pluies beaucoup plus longues.

Méthode des volumes

La méthode des volumes présente l'avantage par rapport à la méthode des pluies, de prendre en compte la distribution temporelle des apports dans l'ouvrage de stockage. Elle repose sur un traitement voisin de la méthode des pluies, mais que l'on applique à une série chronologique de pluies réelles observées. La figure 11 illustre graphiquement le traitement statistique effectué sur les données. On trace sur un graphe temporel le cumul des volumes (exprimés en hauteurs de pluie) produits successivement par chaque pluie ainsi que le cumul des volumes (également exprimés en hauteurs d'eau) évacués, avec l'hypothèse d'un débit de fuite constant tant qu'il y a de l'eau dans l'ouvrage et nul une fois l'ouvrage vide. La vidange ne se terminant que lorsque l'ouvrage est vide, plusieurs événements pluvieux successifs peuvent donc se cumuler dans un cycle de remplissage /vidange de l'ouvrage. La différence, à chaque instant, entre la hauteur produite et la hauteur évacuée : $ ΔH(t, qs) $ correspond à la hauteur (au volume spécifique) qui doit être stockée dans l'ouvrage.


Figure 11 : Méthode des volumes : Courbe des hauteurs à stocker en fonction du temps.

On peut en déduire la valeur maximum $ ΔHmax(i, qs) $, soit pour l'événement $ i $ si on raisonne par événement, soit pour la période de temps $ i $ si on raisonne par période de temps (par exemple par jour, par mois, par année). Le choix du mode de dépouillement (raisonner par événements ou par période de temps) conditionne les résultats et en particulier la façon d'en déduire un risque de dépassement d'une hauteur (i.e. d'un volume spécifique).

On peut alors réaliser un classement fréquentiel des débits observés et construire des abaques permettant de relier directement le volume spécifique à stocker au débit de fuite spécifique. C'est cette méthode qui a été utilisée dans les abaques proposés par l'Instruction technique de 1977 (Ministère 1977).

L'inconvénient principal de la méthode des volumes est de nécessiter la construction préalable des abaques, ce qui nécessite la disponibilité de séries chronologiques longues de pluies. Ce travail important n'est intéressant que si plusieurs ouvrages doivent être dimensionnés avec les mêmes abaques, ce qui peut par exemple être le cas pour une collectivité. Si un seul ouvrage doit être dimensionné, il est préférable d'utiliser directement une méthode des débits (voir § suivant).

Attention : Les abaques de l'instruction technique de 1977 ne doivent absolument plus être utilisés car les données avec lesquelles ils ont été construits sont obsolètes.

Méthodes de simulation hydrologique

La troisième famille de méthodes repose sur une simulation des zones d'apport par un modèle hydrologique simple de production et de transfert permettant de représenter l'évolution des débits produits en fonction du temps pour des pluies diverses, puis sur la simulation du fonctionnement de l'ouvrage de stockage par un modèle simple de réservoir décrit par deux équations reliant le volume stocké et le débit de fuite au niveau de remplissage (méthodes des débits).

L'intérêt de cette famille de méthodes est double :


Figure 12 : Exemple d'évolution des différentes grandeurs en fonction du temps pour un événement pluvieux donné simulé par une méthode des débits ; $ Qe $ : débit entrant dans l'ouvrage ; $ Qs $ : débit sortant ; $ Vs $ : volume stocké ; $ Vmax $ : volume stocké maximum pour l'événement.

Le choix le plus logique pour représenter les apports consiste à associer un modèle de production simple (perte initiale + perte continue représentée par un coefficient d'apport fonction de la pluie) associé au modèle du réservoir linéaire pour représenter le transfert.

La liberté offerte par le choix de l'entrée permet sans difficulté de simuler un grand nombre de pluies, observées ou construites artificiellement, correspondant aux différents niveaux de sollicitations pluvieuses.

Ces méthodes permettent également de simuler des combinaisons d’ouvrages en série et/ou en parallèle.

Une solution efficace de choix des entrées consiste à utiliser un petit nombre de pluies de projet double triangle construites pour les périodes de retour d'intérêt et en faisant varier la durée de la période de pluie intense (par exemple 5 mn, 10 mn, 15 mn, 20 mn, 30 mn, 45 mn et 1 h).

Attention : Dans cas de l'utilisation de pluies double triangle pour dimensionner un ouvrage de stockage c'est la hauteur totale précipitée qu'il faut lier à la période de retour choisie et pas la la hauteur précipitée pendant la durée de la pluie intense (où les deux par sécurité).

Il est cependant préférable, si les données sont disponibles de simuler des séries chronologiques complètes de pluies et d'évapotranspiration, en particulier pour les ouvrages infiltrants et encore plus pour ceux qui dépendent de l'évapotranspiration pour récupérer leur capacité de stockage. L'analyse du fonctionnement peut alors se faire sur les résultats produits, par exemple avec une analyse fréquentielle des valeurs de volumes maximum obtenus.

Attention : Une erreur grave souvent faite dans le dimensionnement des ouvrages de stockage consiste à choisir la pluie en fonction du temps de concentration du bassin versant d'apport. En réalité les pluies les plus pénalisantes sont souvent des pluies beaucoup plus longues dont la durée dépend principalement du débit de fuite de l'ouvrage.

Méthodes de simulation hydraulique

La dernière famille de méthodes repose sur la construction, puis la simulation, de modèles distribués représentant finement la structure des réseaux existants et décomposant la surface en sous-bassins versants de taille réduite (Voir modèles de simulation). Il existe aujourd'hui plusieurs logiciels commerciaux qui permettent d'effectuer ce travail dans de très bonnes conditions. Leur qualité première est de simuler de façon relativement précise la partie strictement hydraulique (et donc une partie des fonctions de transfert) en utilisant les équations de Barré de Saint venant. Le caractère distribué de la modélisation permet également de tenir compte de la répartition spatio-temporelle de la pluie en donnant la possibilité d'affecter à chaque sous bassin versant un hyétogramme spécifique. Il est cependant nécessaire que cette répartition spatio-temporelle soit connue, ce qui n'est réellement le cas que pour des événements pluvieux observés à l'aide d'un réseau dense de pluviomètres et/ou d'un radar météorologique. Enfin ce type de modélisation permet également d'affecter à chaque bassin versant des paramètres hydrologiques différents. L'intérêt de ce dernier point est cependant souvent discutable parce qu'il est exceptionnel que l'on dispose de suffisamment de données pour caler individuellement les fonctions de production et de transfert de chaque sous-bassin versant.

La simulation de l'ouvrage de stockage lui-même peut également se faire par la méthode des débits, mais ce type de modèle est généralement directement inclus dans le logiciel de simulation

Ce type d'approche nécessite un investissement important en recueil et structuration des informations nécessaires, puis en calage. Cet investissement est parfaitement justifié pour une collectivité pour connaître son patrimoine et analyser son fonctionnement lorsqu'il est soumis à différents types de sollicitations. Si un modèle de ce type existe sur une collectivité son utilisation pour dimensionner un ouvrage intégré au réseau est parfaitement normale. Construire un modèle ad hoc dans le cadre d'une étude de dimensionnement d'un ouvrage centralisé peut également se justifier si les enjeux sont importants. En revanche cette approche n'a pas d'intérêt pour les ouvrages de gestion à la source.

Critères de choix

Le choix de la méthode de dimensionnement dépend principalement de trois critères :

  • nature du projet (gestion à la source, ouvrage centralisé ou ouvrage intégré au réseau) ;
  • enjeux en termes de risque d'inondation ou de de pollution (en général liés à la taille de l'opération) ;
  • phase de l'étude (avant-projet, projet détaillé, contrôle de fonctionnement).

Le tableau de la figure 13 propose des éléments de choix de la méthode en fonction de ces critères.


Figure 13 : Éléments de choix de la méthode de dimensionnement en fonction du type d'étude ; (1) : si les abaques sont disponibles ; (2) : si un modèle est disponible.

Ce tableau n'est qu'indicatif car d'autres critères peuvent également conditionner le choix : enjeux, disponibilités des données, temps et moyens accordés à l'étude, disponibilité des outils de calcul, etc. En particulier une analyse hydraulique est parfois nécessaire pour vérifier que la mise en place d'un ouvrage de stockage ne provoque pas de nouveaux problèmes en aval.

Outils disponibles

En dehors des outils commerciaux de simulation des réseaux qui peuvent être utilisés pour ce type d'étude ou d'outils spécialement conçus dans ce cadre, il existe différents outils gratuits, principalement dédiés à l'aide à la conception des solutions à la source et facilement utilisables :

  • Faveur : dédié au dimensionnement des toitures végétalisées ; voir : https://faveur.cerema.fr/public/home ;
  • Oasis : dédié au dimensionnement des systèmes d’infiltration des pluies courantes ; voir : https://oasis.cerema.fr/ ;
  • Parapluie : outil généraliste reposant sur la méthode des pluies et fournissant une aide au choix et au dimensionnement des solutions à la source ;
  • Urbis : logiciel de simulation du fonctionnement d'un espace aménagé pour la gestion des eaux pluviales (méthode des débits).

Bibliographie :

  • CERTU (2003) : La ville et son assainissement : Principes, méthodes et outils pour une meilleure intégration dans le cycle de l'eau ; disponible sur https://www.grand-est.developpement-durable.gouv.fr/IMG/pdf/la_ville_et_son_assainissement_certu_2006_-2.pdf
  • Chocat, B. ; Cherqui, F. (2018) : La méthode des pluies revisitée ; TSM N°11 ; pp. 49-59.
  • Chocat, B., Cherqui, F., Afrit, B., Barjot, G., Boumadhi, M., Breil, P., Célérier, J.L., Chebbo, G., De Gouvello, B., Deutsch, J.C., Gromaire, M.C., Hérin, J.J., Jairy, A., Maytraud, T., Paupardin, J., Pierlot, D., Rodriguez, F., Sandoval, S., Tabuchi, J.P., Werey, C. (2022a) : Contribution à une meilleure explicitation du vocabulaire dans le domaine des solutions dites « alternatives » de gestion des eaux pluviales urbaines ; TSM n°5 2022 ; pp. 103-116
  • Chocat, B., Afrit, B., Maytraud, T., Savary, P., Tedoldi, D. (2022b) : Comment mettre en place des règles hydrologiques efficaces pour la gestion durable des eaux pluviales urbaines ; TSM n°10 ; octobre 2022 ; pp.39-62.
  • Desbordes, M. (1975) : Quelques méthodes de calcul des bassins de retenue des eaux pluviales ; Tribune du CEBEDEAU, n° 377, pp. 168-174.
  • EC.eau (2017) : Adaptation de la Méthode des Volumes à la pluviométrie rennaise ; étude menée pour Rennes Métropole / Pôle Ingénierie et Services Publics ; Rapport de phase 3 ; 14p.
  • Ministères (1977) : Ministère de la culture et de l'environnement, Ministère de l'équipement et de l'aménagement du territoire, Ministère de l'agriculture, Ministère de la santé et de la sécurité sociale ; Instruction technique relative aux réseaux d'assainissement des agglomérations ; IT 77 284 INT ; Imprimerie nationale ; Paris ; 62 p. + annexes.
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