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Méthodes de dimensionnement des collecteurs et canaux (HU) : Différence entre versions

De Wikibardig
(L'essentiel)
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Par ailleurs le [[Changement climatique (HU)|changement climatique]] augmente les incertitudes sur l'importance de ces sollicitations, et imposent de prendre en compte des scénarios différenciés et de privilégier les solutions capables de s'adapter au mieux aux différentes évolutions possibles.
 
Par ailleurs le [[Changement climatique (HU)|changement climatique]] augmente les incertitudes sur l'importance de ces sollicitations, et imposent de prendre en compte des scénarios différenciés et de privilégier les solutions capables de s'adapter au mieux aux différentes évolutions possibles.
  
Ces changements nécessitent de modifier les modes de raisonnement dans la conception et le dimensionnement des ouvrages. En particulier il est indispensable de choisir une méthode adaptée au niveau de complication et aux enjeux réels du problème à traiter. Il est le plus souvent préférable d'utiliser, autant que de besoins, des méthodes prenant correctement en compte les différents phénomènes intervenant dans la genèse des débits. L'utilisation de modèles hydrologiques simples ([[Réservoir linéaire (modèle du) (HU)|réservoir linéaire]]) permettant de simuler des pluies observées ou artificielles ([[Pluie de projet (HU)|pluies de projet]]) de formes diverses devraient ainsi être largement préférée à celle de la [[Méthode de Caquot (HU)|Méthode de Caquot]]. Dans tous les cas cette dernière ne doit pas être utilisée avec les valeurs des coefficients de [[Montana (formule type) (HU)|Montana]] proposés par l'Instruction technique de 1977 mais avec des valeurs récentes correspondant à des observations locales.
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Ces changements nécessitent de modifier les modes de raisonnement dans la conception et le dimensionnement des ouvrages. En particulier il est indispensable de choisir une méthode adaptée au niveau de complication et aux enjeux réels du problème à traiter et permettant de simuler son fonctionnement dans différentes situations. Pour ces raisons, il est le plus souvent préférable d'utiliser des méthodes prenant correctement en compte les différents phénomènes intervenant dans la genèse des débits. L'utilisation de modèles hydrologiques simples ([[Réservoir linéaire (modèle du) (HU)|réservoir linéaire]]) permettant de simuler des pluies observées ou artificielles ([[Pluie de projet (HU)|pluies de projet]]) de formes diverses devraient ainsi être largement préférée à celle de la [[Méthode de Caquot (HU)|Méthode de Caquot]]. Dans tous les cas cette dernière ne doit pas être utilisée avec les valeurs des coefficients de [[Montana (formule type) (HU)|Montana]] proposés par l'Instruction technique de 1977 mais avec des valeurs récentes correspondant à des observations locales.
  
 
Sur un autre plan une attention forte doit être portée sur le choix de la [[Coefficient de rugosité (HU)|rugosité]] apparente des ouvrages en prenant compte non seulement la rugosité des parois mais également la présence de macro-obstacles divers dans l'écoulement.
 
Sur un autre plan une attention forte doit être portée sur le choix de la [[Coefficient de rugosité (HU)|rugosité]] apparente des ouvrages en prenant compte non seulement la rugosité des parois mais également la présence de macro-obstacles divers dans l'écoulement.

Version du 22 décembre 2022 à 15:11

Traduction anglaise : Design méthods for pipes and channels

article en chantier

Dernière mise à jour : 22/12/2022

Cet article présente les différentes méthodes de calcul des dimensions nécessaires pour les ouvrages hydrauliques d'écoulement (principalement conduites d'assainissement pluvial même si beaucoup d'éléments s'appliquent également aux aménagements hydrauliques de cours d'eau). Il est complémentaire d'un autre article qui traite des méthodes de calcul des dimensions nécessaires pour les ouvrages de stockage.

Sommaire

L'essentiel

Pendant longtemps on a dimensionné les ouvrages hydrauliques, et en particulier les conduites d'assainissement, en fonction d'un critère unique, en général être capable d'écouler à surface libre un débit de période de retour donnée. Aujourd'hui les critères se diversifient et il est nécessaire de dimensionner les ouvrages de façon à remplir de façon satisfaisante différents objectifs de natures variées en adaptant leur niveau à la sévérité de la sollicitation pluvieuse.

Par ailleurs le changement climatique augmente les incertitudes sur l'importance de ces sollicitations, et imposent de prendre en compte des scénarios différenciés et de privilégier les solutions capables de s'adapter au mieux aux différentes évolutions possibles.

Ces changements nécessitent de modifier les modes de raisonnement dans la conception et le dimensionnement des ouvrages. En particulier il est indispensable de choisir une méthode adaptée au niveau de complication et aux enjeux réels du problème à traiter et permettant de simuler son fonctionnement dans différentes situations. Pour ces raisons, il est le plus souvent préférable d'utiliser des méthodes prenant correctement en compte les différents phénomènes intervenant dans la genèse des débits. L'utilisation de modèles hydrologiques simples (réservoir linéaire) permettant de simuler des pluies observées ou artificielles (pluies de projet) de formes diverses devraient ainsi être largement préférée à celle de la Méthode de Caquot. Dans tous les cas cette dernière ne doit pas être utilisée avec les valeurs des coefficients de Montana proposés par l'Instruction technique de 1977 mais avec des valeurs récentes correspondant à des observations locales.

Sur un autre plan une attention forte doit être portée sur le choix de la rugosité apparente des ouvrages en prenant compte non seulement la rugosité des parois mais également la présence de macro-obstacles divers dans l'écoulement.

Principes de base

Différentes étapes du processus de dimensionnement

Un ouvrage hydraulique doit être dimensionné pour évacuer, dans des conditions satisfaisantes, les débits qu'il va recevoir en provenance de la surface et de l'amont. Le problème à traiter peut donc se décomposer en trois questions :

  • Comment prendre en compte les contraintes réglementaires, politiques, écologiques, économiques, sociales, etc. permettant de définir le niveau de service (explicitant "les conditions satisfaisantes") que devra rendre l'ouvrage à concevoir ?
  • Comment associer à ce niveau de service attendu une demande chiffrée, le plus souvent exprimée en terme de débits (et plus généralement de flux) à évacuer ?
  • Comment mettre en face de cette demande une offre adaptée, c'est à dire comment fixer les capacités d'écoulement et les dimensions que devra avoir l'ouvrage pour faire face à la demande en respectant le niveau de service attendu ?

Le première question est d'ordre stratégique, la deuxième de nature hydrologique et la troisième va faire appel à l'hydraulique.

Le processus à mettre en place peut, en première approche, se décomposer en trois étapes, chaque étape correspondant à la réponse à l'une des trois questions.

Dans une situation idéale, il serait possible de répondre successivement à ces trois questions en les considérant comme indépendantes. Dans le monde réel, ces trois questions sont souvent liées et doivent être abordées conjointement, pour deux raisons :

  • le choix des dimensions effectuées en un point peut conditionner les débits en un autre point ;
  • la définition du niveau de service à rendre est complexe et dépend à la fois du débit et des dimensions.

Le processus de conception et de dimensionnement ne peut donc pas être linéaire. Il doit être considéré comme un processus itératif, chaque étape pouvant remettre en cause les choix effectués aux étapes précédentes (figure 1).


Figure 1 : Schéma de principe du processus de dimensionnement des ouvrages d'écoulement.

Étape 1 : Choix du niveau de service à rendre

Obligation d'accepter des dysfonctionnements

Même si les observations mondiales montrent qu'il existe certainement pour une durée donnée une hauteur maximale de pluie possible (voir Pluie maximum probable (HU)), celle-ci est tellement supérieure à celles usuellement observées (même pour des périodes de retour rares), qu'il est impossible de dimensionner les ouvrages pour les débits qui seraient produits dans de telles conditions. Il est donc nécessaire de rechercher, de façon plus ou moins explicite, un compromis technico-économique entre "l’aspiration à une protection absolue, pratiquement irréalisable, et le souci de limiter tant le coût d’investissement que les sujétions d’exploitation" (Ministères, 1977).

Nota : La notion de recherche de compromis, ne doit pas être confondue avec celle, plus technocratique et beaucoup plus irréaliste, de recherche d'un optimum économique, qui minimiserait un "coût global", évalué comme la somme des coûts objectifs (d'investissement et de maintenance) et de l'espérance mathématiques des coûts associés aux dysfonctionnements (voir Analyse coût bénéfice / ACB (HU)).

C'est normalement par le choix d'un tel compromis que doit commencer l'étude.

Raisonnement à partir d'une période de retour d'insuffisance

Pour déterminer le risque acceptable de dysfonctionnement, on a pendant très longtemps raisonné uniquement à partir de deux choix basiques :

  • Définir une approche binaire de la qualité de fonctionnement de l'ouvrage (l'ouvrage fonctionne correctement ou dysfonctionne), associé à un critère simple (par exemple, pour une conduite fermée : fonctionnement correct tant que l'ouvrage est à surface libre, dysfonctionnement s'il se met en charge) ;
  • Choisir une période de retour d'insuffisance acceptable et dimensionner l'ouvrage de façon à ce que la période de retour des dysfonctionnements (au sens choisi précédemment) soit inférieure ou égale à la période de retour d'insuffisance choisie.

Pendant longtemps, cette période de retour a de plus été choisie, sans arguments vraiment forts, à une valeur fixe : 10 ans pour les réseaux d'assainissement et 100 ans pour les aménagements de rivière. Le schéma de la figure 1 se simplifie alors beaucoup (figure 2) :


Figure 2 : Schéma simplifié du processus de dimensionnement des ouvrages d'écoulement tel qu'il a été conduit pendant longtemps.

Vers une évaluation plus globale de la qualité de service fournie

L'approche précédente est cependant souvent trop simpliste. Tout d'abord, l'Instruction technique INT 77 284 (Ministère, 1977), citée plus haut, a introduit l'idée que la période de retour d'insuffisance ne devait pas être fixe, mais choisie en fonction des enjeux.

La norme NF EN 752-2, par ailleurs très critiquable, peu utilisée, et aujourd'hui annulée, a ensuite amélioré cette approche, d'une part en distinguant la fréquence (l'inverse de la période de retour) maximale de mise en charge et la fréquence maximale d'inondation, et d'autre part en proposant des valeurs différentes selon les lieux (figure 3).


Figure 3 : Fréquences maximales de mise en charge et de débordement préconisées par la norme NF EN 752-2.

Ces deux modifications ne remettent pas fondamentalement en cause le schéma de la figure 2. Cependant, une avancée très importante a été introduite par le guide "la ville et son assainissement" (CERTU, 2003). Elle a consisté à associer des niveaux de service différenciés aux différents niveaux de sollicitation pluvieuse, ceci pour les différentes fonctions que doit remplir le système de gestion des eaux pluviales urbaines (figure 4).


Figure 4 : 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).

Avec cette approche, le dimensionnement des ouvrages se complique car il doit se fonder sur plusieurs éléments de nature différente :

  • Pour l'ouvrage considéré, quel est l'objectif principal qui va guider le dimensionnement ? Le plus souvent, en ce qui concerne les ouvrages d'écoulement, se sera l'objectif de lutte contre les inondations locales, mais ce n'est pas obligatoirement le cas et, de toute façon, le respect des autres objectifs devra également être étudié.
  • Comment fixe-t-on les limites entre les différents niveaux de sollicitation pluvieuse ? Chocat et al (2022b), comme ASTEE (2017) (figure 5) proposent d'utiliser les périodes de retour, mais on pourrait aussi utiliser d'autres critères en particulier du fait du changement climatique.
  • Pour quelle limite (limite entre pluie moyenne et pluie forte ou limite entre pluie forte et pluie exceptionnelle) fixe-t-on la capacité de l'ouvrage ? Formulé autrement à partir de quel moment utilise-t-on le réseau majeur d'évacuation que constituent les rues ?
  • Quel est le critère retenu pour caractériser le fonctionnement "normal" de l'ouvrage : débit correspondant au débit maximum à surface libre, niveau maximum de remplissage acceptable, charge maximum acceptable, etc. ?


Figure 5 : Limites entre les niveaux de sollicitation pluvieuse ; Source : ASTEE (2017).

Dans une démarche complète, il ne sera donc pas possible de s'appuyer uniquement sur le processus simplifié présenté par la figure 2. Il sera nécessaire :

  • de définir différentes valeurs de débit (et plus généralement différentes conditions de fonctionnement) correspondant aux différents niveaux de service (et ceci pour les différents objectifs) ;
  • de caractériser la qualité de service rendu dans chacune de ces situations plus complétement que par une réponse binaire (dimensionnement suffisant ou insuffisant).

Étape 2 : Calcul des débits à évacuer

La connaissance des débits est-elle suffisante?

Pendant très longtemps, comme indiqué plus haut, on s'est contenté de prendre comme référence une valeur unique de débit nominal, en général la valeur de débit maximum correspondant à la période de retour d'insuffisance choisie, pour laquelle on dimensionnait l'ouvrage.

La prise en considération de niveaux de service différenciés à associer à des niveaux de sollicitation pluvieuse multiples et plus ou moins fréquents impose de déterminer plusieurs valeurs de débits, par exemple celles correspondant aux valeurs moyennes et maximales produites par chacun des niveaux de sollicitations pluvieuses.

Pour évaluer correctement certains niveaux de service rendu la simple valeur d'un débit de référence sera d'ailleurs insuffisante et il sera nécessaire de connaître la forme de l'hydrogramme pour une pluie donnée, voire la réponse hydrologique du bassin versant et du système d'écoulement amont à une séquence climatique plus complète qu'un seul événement pluvieux. Le fonctionnement du dispositif hydraulique, et donc la façon dont il remplit ses fonctions, ne dépend en effet pas uniquement d'une valeur instantanée de débit. Il peut être conditionné par des éléments divers associés aux évolutions temporelles des phénomènes, que ce soit en termes hydrologiques (par exemple évolution de la capacité d'infiltration des sols en fonction des précipitations antécédentes ou présence de sols gelés) ou en termes hydraulique (influences aval, mises en charge, variations brutales de débit, etc.).

Une attention particulière devra être portée aux sollicitations pluvieuses extrêmes, pour lesquelles il sera nécessaire de rechercher un fonctionnement en mode dégradé, acceptant la présence d'eaux débordantes en surface, mais en limitant les dégâts aux biens et surtout en ne mettant pas en péril la sécurité des personnes (Bachoc et al., 2022).

A l'inverse, pour les situations courantes, il faudra pouvoir vérifier que les autres objectifs que celui de la lutte contre les inondations sont correctement remplis : gestion le plus à la source possible, à minima des pluies faibles, absence de sédimentation et de nuisances, gestion correcte des flux de polluants, etc.

Quelles pluies prendre en compte ?

Les ouvrages hydrauliques sont conçus et construits pour faire face aux débits générés par les pluies. La première question à se poser pour dimensionner un ouvrage est donc celle du choix et de la représentation des pluies qui vont déterminer son fonctionnement dans les différentes situations présentées précédemment.

Ce choix est bien évidemment associé au climat, et plus précisément au régime pluvieux, correspondant au lieu d'implantation de l'ouvrage. Ce régime pluvieux est lui-même connu par les observations effectuées au cours de la période de temps précédente. Or l'ouvrage devra fonctionner dans une période de temps future au cours de laquelle le régime pluvieux pourra être différent du passé, en particulier (mais pas uniquement) du fait du changement climatique. La première question à se poser consiste donc à savoir comment on peut utiliser notre connaissance du passé pour prévoir le futur. L'hypothèse la plus basique, qui n'est pas nécessairement la plus absurde en France métropolitaine, consiste à supposer que le futur sera sensiblement identique au passé. Si on veut aller plus loin, il existe aujourd'hui différents outils permettant d'imaginer comment la pluviométrie peut évoluer au cours des décennies à venir. En tout état de cause, pour prendre en compte correctement les conséquences du changement climatique, il est important de comprendre que l'ouvrage devra fonctionner depuis un futur proche et jusqu'à un futur plus lointain, donc dans des conditions changeantes. L'intérêt et la pertinence de la solution ne doivent pas être remis en cause quelle que soit cette évolution. La recherche de solutions adaptables doit donc être la priorité. A ce titre, les solutions fondées sur la nature sont souvent plus résilientes et adaptables. Pour tester cette adaptabilité, la prise en compte de scénarios différenciés apparaît nécessaire.

Un deuxième élément central du choix des entrées pluviométriques consiste à faire, ou non, l'hypothèse forte selon laquelle on est capable de construire des modèles de représentation de la pluie auxquels on sait associer une période de retour et qui vont produire des conséquences hydrauliques (en particulier des débits) ayant la même période de retour que celle de la pluie. Nous ne développerons pas ici les difficultés associées à cette hypothèse (voir Pluie de projet (HU)). Les conséquences de cette hypothèse sont fondamentales sur la façon de travailler :

  • si on fait cette hypothèse, alors il est possible de construire un modèle de pluie ayant la période de retour choisie et de l'utiliser en entrée pour calculer le débit de même période de retour ;
  • si on ne la fait pas, il est nécessaire de calculer les débits (ou les autres grandeurs hydrologiques) produits par toutes les pluies (ou par un échantillon représentatif des pluies) que l'on pense observer pendant la durée de vie de l'ouvrage, puis de faire un classement fréquentiel de ces débits (ou de ces autres grandeurs hydrologiques) de façon à leur associer une fréquence d'apparition.

La seconde approche est beaucoup plus rigoureuse, du moins sur le plan scientifique, mais nécessite une quantité de données et de calculs beaucoup plus grande.

Comment déterminer les grandeurs hydrologiques ?

La transformation d'une pluie donnée en un débit en un point particulier dépend de deux familles de phénomènes, fortement interdépendants, et qui sont associés à différentes caractéristiques du bassin versant d'apport :

  • ceux qui détermine la part volumétrique de la pluie précipitée qui va effectivement s'écouler en direction du point où sera situé l'ouvrage, et que l'on représente par des modèles de calcul des pertes au ruissellement (ou par des schémas d'abattement) ;
  • ceux qui détermine les conditions, et en particulier les conditions temporelles, dans lesquelles ces écoulements vont se mettre en place, que l'on modélise par des fonctions de transfert ou par des modèles d'écoulement.

Nota : Au delà de leur importance pour déterminer comment une pluie particulière va se transformer en une onde de débit (un hydrogramme), la seconde famille de phénomènes va également jouer un rôle central pour déterminer les événements pluvieux qui seront les plus défavorables au point particulier où l'ouvrage doit être construit (voir Temps de concentration (HU)).

Selon les modèles, la nature des données pluviométriques nécessaires ainsi que celle des résultats qu'ils sont susceptibles de produire sera différente. Ainsi, c'est probablement le choix du modèle effectué pour cette étape qui déterminera le plus le choix global de la méthode de dimensionnement. Les données que ces modèles nécessitent sont en revanche toujours de même nature : description du bassin versant amont (surface, pente, nature et couverture des sols, etc.) et du système de drainage (longueur, pente, vitesse moyenne d'écoulement). Ces données peuvent être exigées en valeurs moyennes dans le cas d'un modèle global considérant le bassin versant comme une entité homogène ou par sous-unités de taille plus réduite dans le cas d'un modèle distribué. Dans le cas extrême où l'ouvrage sera situé à l'intérieur d'un réseau d'assainissement préexistant, ce modèle distribué peut consister en une description détaillé de ce réseau.

Quel que soit son niveau de complication, le modèle hydrologique choisi ne représentera que de façon très approchée la réalité des phénomènes physiques supposés se produire au cours de la durée de vie de l'ouvrage à construire. La prise en compte des très nombreuses incertitudes associées à cette modélisation (modification du régime pluviométrique, évolution de l'occupation des sols, méconnaissance de certains processus hydrologiques, etc.) doit être une partie intégrante de la réflexion et conduit encore une fois à tester différents scénarios et à privilégier les solutions les plus adaptables.

Étape 3 : Calcul des dimensions de l'ouvrage

Une fois connues les valeurs des débits à gérer (ou, selon les modèles et les objectifs, en même temps que l'on calcule ces débits), il est nécessaire de fixer les dimensions de l'ouvrage à concevoir.

La capacité d'une conduite fermée ou d'un canal ouvert à évacuer un certain débit dépend en première approche de trois éléments : sa section en travers d'une part, la pente motrice et sa rugosité qui conditionnent la vitesse d'autre part.

Si l'on raisonne en régime permanent, ce qui constitue une approximation nécessaire, au moins pour un dimensionnement initial, on peut utiliser la formule de Manning-Strickler qui n'est valable que pour les écoulement turbulents rugueux, ou, de façon préférentielle pour les conduites fermées relativement lisses en béton, grès ou PVC, la formule de Colebrook. Le tableau de la figure 8 fournit une aide au choix du paramètre de ces formules.

Valeur de la pente

Dans le cas d'un régime uniforme (hypothèse la plus classique), la pente motrice est simplement égale à la pente du tronçon. Cette hypothèse est cependant souvent fausse car les écoulements varient dans le temps et dans l'espace. Ainsi la pente motrice peut être localement supérieure à la pente du tronçon si on accepte les mises en charge ; elle peut également être très inférieure (en particulier en cas d'influence aval) (figure 6).

Nota : Si on ne se restreint pas au cas d'un écoulement gravitaire (voir Réseau en surpression (HU)), le choix de la pente motrice devient totalement libre et n'est conditionné que par des contraintes de consommation d'énergie et de risque de dégradation des ouvrages.


Figure 6 : Selon les conditions de l'écoulement, la pente motrice peut être : (1) égale à la pente du fond (écoulement uniforme) ; (2) supérieure à la pente du fond ; (3) : inférieure à la pente du fond.

Comme la pente motrice dépend des conditions de l'écoulement elle peut également varier selon les niveaux de sollicitations pluvieuses (la mise en charge peut par exemple être acceptée pour les événements les plus forts) ; elle peut également varier au cours du temps pendant un même événement. Dans la plupart les cas, il est important de noter que la pente motrice ne dépend pas uniquement des choix effectués sur le tronçon en cours de dimensionnement mais également des conditions qui règnent sur les tronçons amont et aval. De la même façon, les choix effectués sur le tronçon en cours de dimensionnement vont avoir une influence sur les tronçons amont et aval où ils peuvent provoquer des désordres. Un contrôle du fonctionnement de l'ensemble des tronçons, ceci pour des conditions hydrauliques variées, est donc indispensable.

La pente du tronçon elle-même peut être complétement imposée (si les points de raccordement amont et aval sont imposés) ou relativement libre. Elle est cependant toujours contrainte par des éléments divers :

  • pente du sol car même une conduite souterraine est contrainte par le relief ; en effet les conduites ne peuvent pas être trop profondes ou trop près du sol ; de plus il existe (presque) toujours une contrainte de raccordement à l'aval ; ceci est bien sûr encore plus vrai pour les ouvrages en surface ;
  • présence d'obstacles en profondeur : les sols urbains sont souvent très encombrés et il est nécessaire de pouvoir positionner la conduite sans avoir à déplacer un trop grand nombre d'autres réseaux ;
  • contraintes de fonctionnement associées à d'autres objectifs : respect de conditions d'autocurage par exemple qui peuvent imposer une pente et une vitesse minimum.

Forme de la section

Le premier critère déterminant la forme de la section est sa surface maximum utilisable. C'est en effet cette surface qui va conditionner le débit maximum que l'ouvrage sera capable d'écouler pour une pente motrice donnée. Il existe donc un grand nombre (en théorie une infinité) de couples possibles pente motrice/section qui peuvent convenir et les deux éléments doivent être choisis ensemble.

Il est à noter que pour une conduite fermée fonctionnant à surface libre la surface correspondant au débit maximum n'est pas nécessairement sa surface totale. D'une part les pertes de charge dépendent du rayon hydraulique, lequel diminue très vite au voisinage de la voute, et, d'autre part, lorsque la section se remplit, la résistance de l’air piégé dans la partie supérieure provoque une perte de charge supplémentaire. Pour obtenir une relation bijective entre la hauteur d'eau et le débit, le memento technique de l'ASTEE (2017) recommande d'utiliser le modèle proposé par Thormann et Lautrich qui prend en compte ce phénomène en augmentant la valeur du périmètre mouillé et donc du rayon hydraulique (voir Coefficient de rugosité (HU) et figure 7).


Figure 7 : Comparaison des vitesses et des débits calculés par la formule de Manning-Strickler avec et sans correction par la formule de Lautrich ; Source : Astee (2017).

D'autres considérations vont contraindre le choix de la section et de la forme de la conduite :

  • place disponible en fonction de l'encombrement du sous-sol ;
  • diamètres commerciaux (pour les conduites circulaires) ou de façon plus générales formes disponibles ;
  • évolution des valeurs respectives de section mouillée et de vitesse en fonction du débit et du remplissage de la section ;
  • sujétions de fonctionnement ou d'exploitation ;
  • critères financiers (le coût augmente avec la taille de la conduite, ce qui conduit souvent à choisir les conduites les plus petites possibles, donc les pentes et les vitesses d'écoulement les plus grandes possibles).

Rugosité des parois

De nombreuses relations existent pour calculer les pertes de charge en fonction de la rugosité des parois (voir Coefficient de rugosité (HU)). Les plus connues sont celles de Bazin, de Colebrook et de Manning-Strickler.

En pratique, on ne choisit pas réellement le coefficient de rugosité de la paroi qui est imposé par le choix du matériau qui la constitue. En revanche on choisit la valeur que l'on prend en compte pour les calculs et qui vont conditionner la taille de la section (plus la rugosité choisie est faible, plus la taille calculée pour la conduite sera petite pour une pente motrice donnée). Les projeteurs sont donc tentés, encouragés sans doute involontairement par les fabricants de tuyaux, à choisir pour le calcul des valeurs très faibles de rugosité qui peuvent conduire à sous-dimensionner les conduites.

En réalité la rugosité effective des parois elles-mêmes n'est pas le seul facteur structurel (en plus de la viscosité du fluide) contribuant à la dissipation de l'énergie. Les réseaux d'assainissement, comme les réseaux plus naturels de surface, comprennent un grand nombre de singularités qui provoquent chacune des pertes de charges locales : coudes, chutes, changements de pente ou de direction, câbles accrochés aux parois, branchements, etc. Comme il n'est pas possible de prendre en compte individuellement chacune de ces pertes de charge singulières, il est nécessaire de les intégrer dans le coefficient de rugosité. De plus les pertes de charge peuvent être beaucoup plus importantes pendant les périodes pluvieuses du fait des arrivées latérales de débit dues aux avaloirs et aux branchements qui perturbent davantage l'écoulement que pendant les périodes de temps sec. Les défauts constructifs et la dégradation progressive des parois, de même que les dépôts au fond des conduites, ont également tendance à augmenter, parfois significativement, la rugosité du matériau. La rugosité apparente équivalente des conduites en service est ainsi toujours très supérieure à celle des conduites neuves, mesurée en laboratoire avec des eaux claires et dans des conditions plus simples.

Les valeurs fournies par les fabricants de tuyaux sur la valeur de coefficient de débit sont donc généralement fortement surévaluées, en particulier pour les conduites les plus lisses (celles en PVC ou en grès).

Le tableau de la figure 8 indique les valeurs optimistes et moyennes observées pour le coefficient de Manning-Strickler et pour la rugosité au sens de la formule de Colebrook dans le cas de conduites ou de canaux en service ainsi que dans celui de rivières naturelles. Les valeurs apparentes de rugosité peuvent même être encore plus grandes, par exemple en cas de mauvaise réalisation des ouvrages, d'ensablement important ou de dégradation des parois (attention une valeur plus grande de rugosité se traduit par une valeur plus faible du coefficient de débit de Manning-Strickler). Nous conseillons par prudence le choix des valeurs moyennes. Pour en savoir plus, voir Coefficient de rugosité (HU)


figure 8 : Compilation des valeurs optimistes (respectivement maximum et minimum) et moyennes des coefficients $ K_s $ de la formule de Manning-Strickler et $ k $ de la formule de Colebrook en fonction de la nature des parois pour les ouvrages en service.

Méthodes utilisables pour les calculs hydrologiques

Le choix du modèle utilisé pour effectuer les calculs ne peut pas se faire sans se poser la question des données disponibles. D'une part parce que la qualité des données est prépondérante sur la qualité des résultats (sans doute plus que le niveau de sophistication du modèle !) et d'autre part parce que, selon le choix du modèle, les données nécessaires peuvent être différentes et surtout plus ou moins importantes.

Choix des données de calcul

Les principales données à connaître sont celles concernant la pluie et celles décrivant le bassin versant.

Choix des données pluviométriques

Difficultés de représentation de la pluie

La pluie constitue la cause qui initie les écoulements et donc qui justifie la construction des ouvrages hydrauliques. Sa représentation correcte est donc essentielle à un bon dimensionnement de ces ouvrages.

La première difficulté de cette représentation est due à la complexité du phénomène : chaque pluie est caractérisée par une répartition spatiale et temporelle d'intensités, elle-même insérée dans une séquence climatique. Le nombre de variables nécessaires à la description d'une pluie particulière est donc extrêmement grand, voire quasiment infini. Un corolaire à cette première difficulté est que chaque événement pluvieux est unique et non reproductible. Toute approche calculatoire suppose donc de simplifier fortement ce phénomène. Deux grandes familles de modes de raisonnement, et donc de niveaux de simplification sont possibles :

  • Essayer de rester au plus près de la réalité du phénomène physique et simuler successivement un grand nombre de pluies plus ou moins idéalisées et représentatives des pluies observées ou susceptibles de l'être (voir Chronique de pluies (HU), Série chronologique de pluies (HU)) ;
  • Simplifier de façon drastique le phénomène en le réduisant à un nombre très limité de paramètres supposés être ceux qui déterminent la genèse des débits, par exemple hauteur totale précipitée sur une durée donnée (voir Intensité-durée-fréquence / IDF (HU)).

Quel que soit le niveau de simplification, on se heurte à une seconde difficulté associée à la variabilité du phénomène :

  • variabilité spatiale, la pluie dépend de la région, mais également de l'altitude ou de l'exposition, ce qui impose d'utiliser des mesures les plus locales possibles ;
  • variabilité temporelle du phénomène qui se manifeste de deux façons différentes :
    • par de grandes irrégularités inter-annuelle, en particulier en ce qui concerne les phénomènes les plus forts, ce qui impose de longues durées d'observation,
    • par des évolutions tendancielles, associées par exemple (mais pas uniquement) au changement climatique et qui interrogent sur la prévision d'événements futurs en connaissant les événements passés (voir Classement fréquentiel (HU)).

Selon le choix effectué, qui dépend du modèle hydrologique utilisé (voir § ci-dessous), 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, 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. 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 acquises directement sur le site.

Choix du coefficient de ruissellement

La deuxième famille de données importante est celle qui permet de transformer la pluie en débit. Le processus est généralement décomposé en deux phases qui, dans la réalité, sont concomitantes :

Les paramètres de la fonction de transfert dépendent du modèle hydrologique et seront discutés ultérieurement. Les paramètres de la fonction de production font généralement intervenir :

  • une perte initiale, correspondant à la quantité de pluie minimum nécessaire pour que le ruissellement puisse se mettre en place ;
  • une perte continue qui dépend principalement du temps et des caractéristiques de la pluie.

La perte initiale est de l'ordre de quelques dixièmes de mm à quelques mm. Elle est souvent négligeable pour les pluies fortes et exceptionnelles (voir figure 4) ; en revanche elle peut être prépondérante pour les pluies faibles et moyennes.

Les pertes continues constituent cependant la part principale. Elles sont le plus souvent représentées par un coefficient de ruissellement représentant la proportion du volume d'eau précipitée qui va effectivement ruisseler. Ce coefficient de ruissellement peut être constant, dépendre des caractéristiques de la pluie ou évoluer au cours d'un même événement.

Sur le plan phénoménologique, les pertes continues correspondent principalement à de l'infiltration. De ce fait, certains considèrent parfois que, une fois prélevées les pertes initiales, les surfaces imperméables contribuent à 100% au ruissellement, et que, à l'inverse, on peut négliger les flux produits par les surfaces perméables.

La réalité est beaucoup plus compliquée et le coefficient de ruissellement dépend de la sollicitation pluvieuse pour plusieurs raisons :

  • Une partie des surfaces imperméables (y compris de celles qui sont directement connectées au réseau) ne contribuent pas à 100% au ruissellement (par exemple une voirie à une capacité équivalente d'infiltration de 0,3 à 3mm/h du fait des fissures et autres défauts).
  • Une partie des surfaces perméables peut contribuer au ruissellement, en particulier pour les pluies les plus intenses.

Assimiler systématiquement le coefficient de ruissellement au coefficient d'imperméabilisation conduit donc à des erreurs qui peuvent être très importantes :

  • forte surestimation du coefficient de ruissellement pour les pluies faibles et moyennes ;
  • sous-estimation possible pour les pluies exceptionnelles.

En pratique il est extrêmement difficile d'évaluer correctement les pertes au ruissellement en l'absence de mesures locales. Le calage systématique des modèles constitue donc un préalable indispensable chaque fois que c'est possible.

Pour en savoir plus : Coefficient de ruissellement (HU)

Choix de la méthode de dimensionnement

Nous n'allons pas détailler ici tous les modèles hydrologiques existant mais nous contenter d'en balayer les principales familles pouvant être utilisées pour le dimensionnement des ouvrages d'écoulement en indiquant leurs avantages et leurs limites.

Méthodes simples de calcul du débit maximum

La première famille de méthodes consiste à calculer le débit maximum correspondant à une période de retour donnée à l'exutoire d'un bassin versant par une formule explicite.

Les méthodes qui la constituent reposent généralement sur les principes de la méthode rationnelle. Elles consistent à considérer que le débit correspondant à une période de retour donnée est associé à une pluie constante, de durée égale au temps au temps de concentration du bassin versant et de même période de retour. En France, la méthode de ce type la plus utilisée est la méthode de Caquot, préconisée depuis la circulaire CG 1333 de 1949, confirmée par l'instruction technique de 1977 et encore indiquée dans le guide de l'ASTEE (2017).

Au fil du temps, le domaine d'application de cette méthode n'a cependant cessé de se réduire. L'instruction technique de 1977 a limité son emploi aux bassins versants fortement urbanisés (coefficient d'imperméabilisation supérieur à 20%) de taille inférieure à 200 ha. Le guide ASTEE (2017) a encore augmenté les contraintes :

  • bassin versant de superficie inférieure à quelques dizaines d’hectares ;
  • coefficient d’imperméabilisation > 0,2 ;
  • pente comprise entre 0,2% et 5% ;
  • débit dimensionnant ne devant pas dépasser 500 l/s à 1000 l/s.

Même s'il est possible, moyennant quelques ajustements, de représenter certaines associations de bassins versants (en série ou en parallèle, voir Méthode de Caquot (HU)), cette association reste délicate (ASTEE, 2017). Surtout, les formules utilisées ne fournissent aucun élément explicatif sur la façon dont les débits produits par les différents bassins versants se composent.

Une autre limite évidente de ce type de méthode est qu'elle ne fournit que la valeur du débit maximum (ce qui souvent insuffisant pour bien dimensionner un ouvrage - voir plus haut) et surtout qu'elle ne s'applique qu'aux pluies fortes et ne permet pas d'évaluer le niveau de service rendu par les pluies faibles ou moyennes et encore moins par les pluies exceptionnelles.

Enfin, une attention très grande doit être accordée au choix des coefficients a et b de l'ajustement de Montana utilisé. D'une part ils doivent être adaptés à la durée probable de l'événement pluvieux le plus contraignant sur le bassin versant étudié et surtout, ils doivent être choisis en fonction de la pluviosité locale.

En particulier il ne faut absolument plus utiliser les coefficients de Montana proposés par l'Instruction technique de 1977 qui reposaient sur un découpage de la France métropolitaine en trois régions pluviométriques supposées homogènes. Depuis cette date de très nombreuses données pluviométriques ont été acquises qui montrent une très grande variabilité de la pluviométrie (figure 9).


Figure 9 : La variabilité de l'aléa pluvieux est très grande, même pour des bassins versants très proches, il est donc nécessaire d'utiliser les données les plus locales possibles ; Source : Arnaud (2005), cité par ASTEE (2017).

Modèles de simulation hydrologique

La deuxième famille de méthodes repose sur une représentation simplifiée du bassin versant par un modèle de production et de transfert permettant de simuler son fonctionnement pour des pluies diverses représentées par leur hyétogramme. L'intérêt est double : pouvoir simuler un grand nombre de pluies (pluies historiques observées ou pluies de projet, généralement pluies double triangle) et produire un hydrogramme.

Le choix le plus logique consiste à associer un modèle de production simple (perte initiale + perte continue représentée par un coefficient de ruissellement 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. L'analyse du fonctionnement peut alors se faire sur les résultats produits. Ce type de solutions est donc très largement préférable à la méthode de Caquot citée plus haut, d'autant que sa mise en œuvre, par exemple sur un tableur excel, est extrêmement simple.

Moyennant quelques efforts complémentaires, il est possible également de représenter par des modèles simples (translation simple, réservoir linéaire, Muskingum, etc.) le transfert des hydrogrammes dans des biefs et leur composition aux points de convergence (figure 10).


Figure 10 : Exemple de superposition d'hydrogrammes produits par deux bassins versants en parallèle à une confluence ; la non superposition des pointes de débit permet de comprendre pourquoi le débit de pointe après la jonction est inférieur à la somme des débits de pointe des deux bassins versants ce qui est susceptible de fournir des pistes de travail pour améliorer la situation.

Outils de simulation des réseaux

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.

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 situé à l'intérieur du réseau (par exemple pour améliorer un ouvrage existant sous-dimensionné) est parfaitement normale. En revanche construire un modèle ad hoc uniquement dans le cadre d'une étude de dimensionnement d'un ouvrage amont ne se justifie que si les enjeux sont importants.

Critères de choix

Le choix de la méthode de dimensionnement dépend de différents éléments : le stade d'avancement du projet, sa nature, les enjeux (et en particulier la taille du bassin versant), la position de l'ouvrage étudié (inséré dans un système hydraulique existant ou à l'amont), l'existence ou non d'un modèle général du réseau etc.

Le tableau de la figure 11 propose quelques éléments de choix.


Figure 11 : Éléments d'aide au choix de la méthode de dimensionnement des ouvrages.

Bibliographie :

  • Arnaud, P.L.J. (2005) : Cartographie de l’aléa pluviographique de la France ; Montpellier.
  • ASTEE (2017) : Memento technique : Conception et dimensionnement des systèmes de gestion des eaux pluviales et de collecte des eaux usées ; 273p.
  • Bachoc, A., Gandouin, C., Kovacs, Y., Maytraud, T., Morin-Batut, C., Pierlot, D., Roche, P.-A., Savary, P. (2022) : Mieux penser les eaux débordantes et ruisselantes en surface dans l’espace urbain , TSM n°5, mai 2022, p.7 à 13.
  • 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., 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., Rpdriguez, 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
  • 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.
  • Flanagan, K., Barraud, S., Gromaire, M.-C., Rodriguez, F. (2022) : Guide méthodologique pour l’évaluation de performances des ouvrages de maîtrise à la source des eaux pluviales, Office français de la biodiversité (OFB), septembre, 164 p. https://professionnels.ofb.fr/fr/node/1252
  • 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 ; 1977.
  • Roche, P.-A., Velluet, R., Aujollet, Y., Helary, J.L., Le Nouveau, N. (2017) : Gestion des eaux pluviales : 10 ans pour relever le défi ; Rapport Technique Conseil Générale de l’Environnement et du Développement Durable (CGEDD) ; disponible sur : https://cgedd.documentation.developpement-durable.gouv.fr/documents/Affaires-0008967/010159-01_rapport-publie_tome1_synthese_diagnostic-propositions.pdf;jsessionid=68117E81D8E689F3BF6A01719FF00537
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