09-Les Méthodes de Calculs Des Débits de Bassins Versants Naturels

LES METHODES DE CALCUL DES DEBITS DE BASSINS VERSANTS NATURELS a) Préambule Les méthodes décrites ci-après s’adressent aux projeteurs donc, à priori et sauf exception, à des non-spécialistes du domaine de l’hydrologie et de l’hydraulique. Ces derniers pourront utiliser toute autre méthode justifiée. En conséquence ces méthodes répondent à des critères de simplicité, de rusticité et, si possible de facilité d’utilisation. Ces critères ont cependant surtout prévalu au choix de formules hydrologiques permettant la détermination du débit de projet dans le cadre du rétablissement d’écoulements extérieurs à la plate-forme routière. En effet dans ce domaine, appartenant aux sciences naturelles, le nombre de formules fournies par la littérature est important et cependant aucune de ces formules n’a de caractère définitif. Le choix des paramètres et la prise en compte de leur incertitude, pour une formule donnée, ont été préférés à l’utilisation conjointe de multiples formules souvent disparates. Afin d’en permettre une mise à jour régulière les paramètres hydropluviométriques sont fournis dans un fascicule spécifique. Dans le domaine de l’hydraulique ce problème de choix de formules ne se pose pas puisqu’il s’agit d’un domaine dérivé de la mécanique des fluides plus proche des sciences exactes. Les bassins concernés par ces méthodes sont majoritairement des bassins de petite taille (jusqu’à quelques dizaines de km²), sans exclure des bassins versants de quelques centaines de km². Contrairement à ces bassins versants dits « courants », certains nécessitent une étude spécifique et ne peuvent être traités par les méthodes proposées ci-après. En exemples de bassins versants nécessitant une étude spécifique, on peut citer sans être exhaustif les principaux cas suivant : Les bassins versants karstiques Il existe une grande incertitude sur les contours du B.V. réel qui peut être très supérieur au B.V. apparent.

B.V. réel

Bassin versant karstique

R R

Exutoire B.V. apparent

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R: Résurgences

1

Les bassins versants comportant de grandes zones de stockage Naturelles : zones inondables, étangs, lacs, … Artificielles : réservoirs de barrage, … Les débits sont écrêtés par ces zones de stockage. A priori la méthode proposée surestime le débit.

Bassin versant avec retenues d'eau Barrage

coteau ZONE INONDABLE étang

Les bassins versants urbains Selon l’Instruction Technique Relative à l’Assainissement des Agglomérations un bassin est réputé « urbain » si son taux d’imperméabilisation est < à environ 20 %. Ce taux est le rapport de la totalité des surfaces imperméabilisées à la superficie totale du B.V. Conditions de superficie du bassin versant urbain : SBVU ≤ 2 km² : les formules de l’Instruction s’appliquent . SBVU > 2 km² : les formules de l’Instruction ne s’appliquent plus. A priori une étude spécifique est nécessaire mais, à la limite, la méthode préconisée (méthode rationnelle) peut fournir une première évaluation et ce d’autant plus que le taux d’imperméabilisation sera faible. Dans le cas particulier d’une urbanisation située en aval du bassin versant (voir cicontre) une étude spécifique est nécessaire dans tous les cas.

Zones urbanisées

Urbanisation diffuse

Urbanisation aval

Zone urbanisée

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Les bassins versants jaugés L’existence d’une station de jaugeage, même située assez loin en aval (Cf. ci-contre) implique la réalisation d’une étude spécifique.

et oj Pr

Station de jaugeage sur le cours d'eau

er uti ro

B.V. à la station

Station de jaugeage

B.V. au franchissement

b) Détermination des caractéristiques du bassin versant Il convient tout d’abord de déterminer les caractéristiques du bassin versant concerné. De celles-ci découlent les formules à employer et les valeurs des paramètres à considérer. Les caractéristiques à déterminer - Morphologique : * Superficie : S

∆H * Pente moyenne : L avec ∆H : dénivelée entre point haut et point bas L : Longueur d’écoulement

- Occupation du sol :

Unité : km² m/m ou % m m

. Zones boisées :

SB

km²

. Zone urbanisées :

SU

km²

. Autres (cultures, prairies, ….) : S A

km²

- Géologie : - Nature du réseau hydrographique : sections des lits et des ouvrages existants, érosions, zones inondables ou retenues d’eau …. Moyens d’étude : . Cartes topographiques : 1/25.000ème IGN principalement . Plans topographiques du projet routier . Carte géologique . Reconnaissance pédestre

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LES PRINCIPALES METHODES DE CALCUL Il existe trois grandes familles de méthodes pour l’estimation des débits des bassins versants : - méthodes statistiques - méthodes analytiques - méthodes déterministes Dans ce chapitre, nous ne traiterons que la dernière dans la mesure où les méthodes analytiques et statistiques nécessitent la connaissance des données statistiques observées sur de très longues périodes (20 à 100 ans) pour être fiables alors que les méthodes déterministes s’appuient sur des données pluviométriques (paramètres a et b de Montana, α et β de Grissolet). Ils caractérisent la pluviométrie de la région où se situe le projet ; Ces paramètres sont disponibles dans tous les ouvrages spécialisés. Sur l’ensemble des méthodes décrites dans le présent document, les trois méthodes les plus utilisées sont les suivantes : - méthode rationnelle avec la détermination du temps de concentration à partir du tableau des vitesses d’écoulement. - méthode CRUPEDIX utilisant un coefficient régional. - méthode SOGREAH par l’utilisation de l’abaque de synthèse. Ces trois méthodes donnent des résultats équivalents dans la mesure où elles sont utilisées dans leur domaine de validité. Par expérience et connaissance détaillée du comportement du bassin versant étudié, les autres méthodes peuvent être utilisées. Trois méthodes ont été retenues - Rationnelle - Crupedix - Abaques de synthèse (méthode SOGREAH) Une formule de transition est également développée pour assurer un ajustement des débits fournis par la méthode rationnelle et la méthode CRUPERIX.

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1. METHODE RATIONNELLE Domaine de validité 2 - jusqu’à 1 km en France métropolitaine, façade méditerranéenne exceptée. - jusqu’à 10 km2 sur la façade méditerranéenne. Formule C (T ) × i (T ) × S

Q (T ) =

Avec :

BVN

3,6 3

Q(T ) : débit de pointe de période de retour T , en m /s C (T ) : coefficient de ruissellement* pondéré pour la période de

retour* T i( T ) : intensité moyenne en mm/h, pour la période de retour* T pendant le temps de concentration* tC S BVN : surface totale de bassin versant en km².

C (T SJ

=

)

Σ ( S j C j) S BVN

: surface partiel du VBN de coefficient CJ en km2

i (T) = a (T) × t c tc

: temps de concentration tc en minutes

tc = Σ Avec

− b (T)

Lj Vj

Lj : longueur d’écoulement (en m) sur un tronçon où la vitesse d’écoulement est Vj (en m/s).

Les coefficients de Montana a et b sont obtenus, sur un pluviographe*, donné par ajustement statistique à partir des hauteurs d' eau observés pendant un temps donné. Les données de base ou la reconstitution des coefficients de Montana peuvent être obtenues auprès des services de la Météo.

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Coefficient de ruissellement *C10 : pour T = 10 ans (valeurs indicatives) : Couverture végétale Bois Pâturage Culture

•

Morphologie

Pente %

Terrain sable grossier

Terrain limoneux

Terrain argileux

presque plat ondulé montagneux presque plat ondulé montagneux presque plat ondulé montagneux

p