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ENGEES ENGEES Formation continueFormation continue
LES NOTIONS DE BASE D’HYDROLOGIE
UTILES EN ASSAINISSEMENT
Thierry ADAM, Chef de projet
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Plan de l’intervention
• Notions de réseau et de bassin versant– Tracé des bassins versants– Détermination de leurs caractéristiques
• Modélisation de la pluie
• Modélisation de l’ hydrogramme de crue– Débit de pointe à l’exutoire– Volume ruisselé à l’exutoire
• Quelles conclusions pour le concepteur ?
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Plan de l’intervention
• Notions de réseau et de bassin versant– Tracé des bassins versants– Détermination de leurs caractéristiques
• Modélisation de la pluie
• Modélisation de l’ hydrogramme de crue– Débit de pointe à l’exutoire– Volume ruisselé à l’exutoire
• Quelles conclusions pour le concepteur ?
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Quelques définitions
• Notion de « bassin versant »- Bassin versant : surface drainée par un
réseau jusqu’en un point nommé « exutoire » ;
- Exutoire : nœud d’un réseau drainant une surface nommée « bassin versant » ;
- Lignes de partage des eaux : limites d’un BV.
• Notion de « réseau » = structuration des flux par nœuds et canaux- Réseau maillé : chemins multiples ;- Réseau ramifié : chemin unique.
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Hydrologie et assainissement
t
QDeux facteurs d’influence prépondérants :
Le temps de concentration Q pointe
Le coefficient de ruissellement Volume
UNE SURFACE : LE BASSIN VERSANT
UNE SOLLICITATION : LA PLUIE
UNE REPONSEL’HYDROGRAMME
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ROMAGNY (68)
Tracer les bassins versants de la Commune
de Romagny
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8Le contexte géographique
Bassin du Rhône
Bassin du RhinCommune de ROMAGNY (68)
Ligne de partage des eaux :Mer Méditerranée / Mer du Nord
www.sandre.eaufrance.fr
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9Les réseaux de Romagny
• Détermination des « bassins versants »- Identification des exutoires
principaux ; - Tracé des bassins versants
correspondants.
dentification des « réseaux »de ROMAGNY
racé du réseau hydrographique ;
xamen du réseau d’évacuation des eaux
Résultat
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10Le réseau d’évacuation des eaux
Résultat
Tracer les contours du « bassin versant » de la Rue Principale
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Plan de l’intervention
• Notions de réseau et de bassin versant– Tracé des bassins versants– Détermination de leurs caractéristiques
• Modélisation de la pluie
• Modélisation de l’ hydrogramme de crue– Débit de pointe à l’exutoire– Volume ruisselé à l’exutoire
• Quelles conclusions pour le concepteur ?
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Caractéristiques d’un bassin versant• Notion de « surface active » pour le ruissellement
- Surface active : superficie d’un BV sur laquelle se produit un ruissellement, à un instant donné et pour une pluie donnée ;
- Coefficient d’apport : rapport de la surface active sur la surface totale d’un BV.
• Notion de « concentration » du ruissellement- Type d’écoulement : diffus ou concentré ;- Chemin hydraulique : ligne de plus grande pente
(diffus) ou canal (concentré) ;- Temps de concentration : durée de parcours du
chemin hydraulique le plus long d’un BV.
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Les caractéristiques de surface• Morphologie du bassin versant
- Surfaces et coefficient d’imperméabilisation ;- Longueurs des cheminements hydrauliques ;- Pentes et vitesse de parcours hydraulique.
• Caractéristiques géologiques et pédologiques- Drainage : naturel (karstique) ou artificiel (agricole).- Perméabilité et capacité d’infiltration ;
• États de surface- Occupation du sol et couverture végétale ; - Porosité instantanée et saturation en eau ;- Sensibilité à la battance.
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Les caractéristiques de surface
• Longueur et pente d’un chemin hydraulique 2
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
=∑∑
j
j
j
pLL
p
L1,p1 L2,p2 L3,p3 L4,p4 L5,p5
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Choix du coefficient d’apportCoefficient variable dépendant :
– de l’intensité de la pluie : fréquence ;– de la morphologie du BV : pente ;– de l’affectation des sols : rural / urbain ;– de la perméabilité des sols ;– de l’état hydrique des sols ;– de la durée de la pluie.
totalesurfaceactivesurfaceCa =
∑∑ ×
=j
jjeq A
ACC
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16Le temps de concentration
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17Le temps de concentration
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Étude du BV de l’étang Noviat
• Caractérisation du BV :- Surface ;- Longueur ;- Pente ;- Types et affectation des sols.
• Choix des paramètres :- Temps de concentration ; - Coefficient de ruissellement.
Résultat
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Plan de l’intervention
• Notions de réseau et de bassin versant– Tracé des bassins versants– Détermination de leurs caractéristiques
• Modélisation de la pluie
• Modélisation de l’ hydrogramme de crue– Volume ruisselé à l’exutoire– Débit de pointe à l’exutoire
• Quelles conclusions pour le concepteur ?
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20Les précipitations• La pluie est un phénomène variable, dont l’ampleur (étendues et
quantités précipitées) conditionne le volume ruisselé à l’exutoire d’un bassin versant ;
• La pluie est phénomène limité dans le temps et l’espace, dont l’intensité et la concentration déterminent le débit de pointe à l’exutoire d’un bassin versant.
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Indépendance d’un événement
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22Les précipitations• La pluie est la donnée d’entrée pour un calcul d’assainissement :
l’estimation de ses grandeurs caractéristiques doit donc être la plus fine possible ;
• Plusieurs méthodes (de la plus globale à la plus détaillée) :
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23Loi de Montana• Une pluie est caractérisée par une
intensité, une durée et une fréquenced’apparition.
• La loi de Montana est un modèle probabiliste empirique permettant de lier les caractéristiques IDF des pluies.
Station de NANCY ESSEY
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24
IM
I1
2*I2HM
0 tp
DM
t DP
t
DP = 4 hDM = 15 mn, 30 mn ou 1 heure
tDP DM
I1 HMDM
et I2 = HT- HMDP- DM
θ =−
=
Pluie synthétique de projet
Pluie historique (18/08/86 à Nancy)
Série chronologique de pluies
MODÈLES DÉTAILLÉS
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27.11.06DDAF du Haut-Rhin - Sous-Direction de l’Équipement des Collectivités
25Loi de Montana
• Calculer l’intensité moyenne et la lamed’eau précipitée pour une averse décennale d’une durée égale au temps de concentration du BV de l’étang Noviat à ROMAGNY.
Station de NANCY ESSEY
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Plan de l’intervention
• Notions de réseau et de bassin versant– Tracé des bassins versants– Détermination de leurs caractéristiques
• Modélisation de la pluie
• Modélisation de l’ hydrogramme de crue– Débit de pointe à l’exutoire– Volume ruisselé à l’exutoire
• Quelles conclusions pour le concepteur ?
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27Transformation de la pluie en débit
Eau incidente
absorption par lavégétation
évaporationévapotranspiration
Eau parvenant à lasurface du sol
écoulementretardé
évaporation
stockage permanenten surface dans les
cavités
ruissellementen surface
ruissellement versles zones non
drainées
infiltration
ruissellementvers le réseau
écoulementhypodermique
eau arrivantà l’égout
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28Transformation de la pluie en débitModèles déterministes
• Modèles statistiques : les débit et volume caractéristique de crue sont déterminés par une exploitation statistique de mesures enregistrées (environ 20 ans) .
• Modèles globaux : les débit et volume caractéristiques d’une crue sont calculés avec une formule simple à partir des caractéristiques du bassin versant.
• Modèles détaillés : le principe est de simuler les phénomènes hydrologiques par des modules (pluviométrie, ruissellement, écoulement) qui reconstituent les différentes étapes du cycle de l'eau.
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27.11.06DDAF du Haut-Rhin - Sous-Direction de l’Équipement des Collectivités
29
• L’hydrogramme de crue est la réaction hydrologique d’un bassin versant soumis à une sollicitation (précipitation).
L’hydrogramme de crue
Pointe
courbe de décrue
courbe de tarissement
temps de base
courbe de concentration
pluie ruissellement
Débit
Temps
MODÈLES DÉTAILLÉS
• Le volume total ruisselé permet les calculs de rétention ;
• Le débit de pointe est utilisé pour le calcul des réseaux.
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27.11.06DDAF du Haut-Rhin - Sous-Direction de l’Équipement des Collectivités
30
• Petits bassins versants ruraux (< 10 ha) : formule rationnelle
Modèles globaux : débits de pointe
AiC167.0Q Tr ×××=
AiC78.2Q Tr ×××=
Q : débit de pointe (m3/s), Cr : coefficient de ruissellement, iT : intensité de la pluie (mm/mn), A : surface du bassin versant (ha).
Q : débit de pointe (l/s), Cr : coefficient de ruissellement, iT : intensité de la pluie (mm/h), A : surface du bassin versant (ha).
• Petits bassins versants urbains ( < 50 ha) : méthode de Caquot
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• Méthode recommandée par l’IT1977 mais dont l’usage doit être limité à son domaine de validité, conformément au guide « La Ville est son Assainissement » en 2003.
Méthode de Caquot
• Limites de validité :– Réseau ramifié (sans D.O. ou bassins) ;– Usage des coefficients de Montana locaux ;– Règles d’assemblage des bassins versants en parallèle ;– A < 50 ha ;– Cimp > 0,20 ;– Qmax < 200 L/s ;– p < 5 %.
SINON,MODÈLES
DÉTAILLÉS
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27.11.06DDAF du Haut-Rhin - Sous-Direction de l’Équipement des Collectivités
32Autres méthodes pour BV ruraux
• SOCOSE + rationnelle (BV< 200 ha)
• SOCOSE (BV > 200 ha)
• CRUPEDIX (pour les rivières)
• Extrapolation à partir de mesures sur des BV comparables
SINON,MODÈLES
DÉTAILLÉS
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Plan de l’intervention
• Notions de réseau et de bassin versant– Tracé des bassins versants– Détermination de leurs caractéristiques
• Modélisation de la pluie
• Modélisation de l’ hydrogramme de crue– Débit de pointe à l’exutoire– Volume ruisselé à l’exutoire
• Quelles conclusions pour le concepteur ?
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34Modèles globaux : volume de rétention
• Méthode des pluies (permet l’utilisation des coefficients de Montana locaux)
• Méthode des volumes (pour mémoire)
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37Calcul du volume de stockage
• Limites de validité :– Débit fuite constant ;– Transfert instantané (pas de
rétention amont) ;– Indépendance des pluies ;– V < 1000 m3.
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38Calcul de débits
• Calculer les débits de pointe à évacuer à l’aval du bassin versant de l’étang Noviat à Romagny :– Bassin versant rural ;– Bassins versants urbains.
• Calculer le volume de rétention à mettre en place pour stocker la totalité du ruissellement centennal issu du bassin versant rural.
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Plan de l’intervention
• Notions de réseau et de bassin versant– Tracé des bassins versants– Détermination de leurs caractéristiques
• Modélisation de la pluie
• Modélisation de l’ hydrogramme de crue– Volume ruisselé à l’exutoire– Débit de pointe à l’exutoire
• Quelles conclusions pour le concepteur ?
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40EXEMPLE : EXEMPLE :
Estimation d’un Estimation d’un hydrogrammehydrogramme par la par la méthode des courbes isochronesméthode des courbes isochrones
Aménagement sur secteur BV2 :Aménagement sur secteur BV2 :FautFaut--il prévoir une rétention ou il prévoir une rétention ou favoriser les écoulements ?favoriser les écoulements ? 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
DT1 DT2 DT3 DT4 DT5 DT6 DT7 DT8 DT9 DT10
BV5BV4BV3BV2BV1
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Préconisations
• Sur les bassins versants amont :Toujours favoriser la limitation des volumes de ruissellement (infiltration) ou/et l’écrêtement des
débits de pointe (rétention)
• Sur les bassins versants aval :Toujours favoriser l’infiltration
mais pas obligatoirement la rétention