# Modélisation hydraulique d'un réseau d'eau pluviale

Alain Estinvil

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Alain Estinvil. Modélisation hydraulique d'un réseau d'eau pluviale. MARNDR-PITAG. Deuxièmes Journées Scientifiques du PITAG - Contribution de la recherche-développement-formation à la souveraineté alimentaire en Haïti, Dec 2023, Port-au-Prince, Haïti. hal-04339238

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Submitted on 12 Dec 2023

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# Ministère de l'Agriculture, des Ressources Naturelles et du Développement Rural (MARNDR)
## Programme d'Innovation Technologique pour l'Agriculture et l'Agroforesterie (PITAG)
### Modélisation hydraulique d'un réseau d'eau pluviale

**Alain ESTINVIL**
ENSEEIHT, Institut National Polytechnique de Toulouse, France

**Résumé:** Cette étude présente la modélisation hydraulique du réseau d'eaux pluviales de la zone d'activité du port de Nesle en France. L'objectif principal est de concevoir un système d'assainissement séparatif pour gérer efficacement les eaux pluviales et de simuler les écoulements dans le système. Compte tenu de la complexité du réseau et des écoulements, le modèle hydraulique Dynamic Wave d'EPASWMM a été choisi pour cette étude. Les résultats du modèle ont permis de prédire le comportement hydraulique du réseau et de confirmer qu'il ne constitue pas un obstacle majeur pour la mise en place des aménagements.

**1- Introduction:** Le projet de création du port de Nesle, lancé en 2021 dans la région Haut-de-France, vise à établir une zone d'activités économiques. Ces aménagements augmenteront la surface imperméabilisée, nécessitant des mesures pour éviter l'augmentation des débits. Ainsi, des études et des simulations sont nécessaires pour dimensionner les ouvrages de collecte et d'infiltration des eaux pluviales. Cette étude poursuit un double objectif : dimensionner le réseau d'assainissement pour une période de retour de 100 ans et simuler les écoulements pour cette même occurrence.

**2- Matériels & méthodes:** Le logiciel choisi pour la modélisation est EPASWMM. Le modèle hydrologique intégré dans le moteur SWMM représente les sous-bassins versants comme des surfaces rectangulaires de pente uniforme, drainant les précipitations vers un exutoire unique. Les ruissellements sont générés par la modélisation de ces sous-bassins versants. Le modèle d'infiltration sélectionné est le modèle du Curve Number.

Pour la modélisation hydraulique, EPASWMM offre trois options : a) Steady Flow, qui représente un écoulement permanent et uniforme, sans considérer les effets de stockage de l'eau ni les influences aval. b) Kinematic Wave Model, qui permet des écoulements variant temporellement et spatialement, en utilisant la formule de Manning-Strickler pour calculer le débit sortant. c) Dynamic Wave, le modèle le plus complet, résolvant les équations de Barré de St-Venant à chaque pas de temps, permettant de représenter les écoulements en charge, les effets de stockage, les influences aval et l'inversion du sens d'écoulement.

Le modèle Dynamic Wave a été retenu en fonction de la complexité des écoulements.

## Délimitation des bassins versants et Construction du modèle hydraulique

Un travail de délimitation des bassins versants a été réalisé sur QGIS à l'aide du plan de masse et des courbes de niveau. Un total de 38 bassins versants a été identifié, dont 5 en amont de la zone de projet, interceptés par 3 buses. Ces bassins versants sont intégrés dans EPASWMM.

Le modèle hydraulique a pris en compte plusieurs points de vigilance, dont la présence d'un talweg, le rétablissement hydraulique de la RD930c via les 3 buses mentionnées plus haut, et la gestion des eaux pluviales à l'aval du périmètre via un aqueduc.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1: Synoptique de gestion des eaux pluviales du Port de Nesle et modèle SWMM</figcaption></figure>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2: Profil en travers des noues de la zone d'activité</figcaption></figure>

## 3- Résultats de l'étude :

La modélisation hydraulique passe d'abord par un modèle hydrologique.

### Modélisation hydrologique

Il n'est pas évident d'associer une période de retour à une pluie réelle observée. Dans ce cas, une pluie fictive a été déterminée à partir de la formule de Montana. Cela a permis de réaliser sous certaines hypothèses, les hyétogrammes synthétiques et statistiquement équivalentes aux pluies réelles.

La pluie de projet a été construite à partir du modèle de pluie double triangle qui comporte une période intense en son centre et une période non intense s'échelonnant avant et après celle-ci. La période non intense permet d'avoir a priori un réseau en fonctionnement avant la période intense. Pour cela, le temps de réponse du bassin versant (Lag time) est utilisé. Ce temps de réponse (K) est une constante homogène à un temps, et dans le cas présent, l'unité temporelle est la minute. Il apparaît comme un décalage existant entre les centres de gravité du hyétogramme entrant représentant la fonction i(t) et de l'hydrogramme sortant représentant la fonction q(t).

### Construction des hyétogrammes

La formule basée sur les coefficients de Montana a été utilisée pour calculer toutes les valeurs nécessaires au tracé des hyétogrammes de pluie. Sur la base de la période de retour centennale et selon la durée de pluie (6h, 12h et 24h), trois hyétogrammes ont été tracés à partir des données de Montana de la station pluviométrique la plus proche. Les précipitations pour les différentes durées considérées avec le temps de retour centennal sont présentées dans la figure 4.

**Remarques :** Nous pouvons constater que l'intensité de la pluie diminue quand la durée de la pluie augmente. Le pic du premier hyétogramme est observé à 3h et à une valeur de 114 mm/h. Celui du deuxième hyétogramme à 6h pour une intensité de 89 mm/h. Le pic du troisième hyétogramme est observé à 12h pour une intensité de 49 mm/h.

## 3.2- Modélisation Hydraulique

Différentes simulations avec des pluies de durée variée ont été réalisées pour déterminer la pluie dimensionnante. La pluie centennale de 24 heures a été identifiée comme la plus influente sur le débit au niveau de l'aqueduc, devenant la pluie projet du modèle.

Des profils en long ont été établis pour étudier le comportement de l'écoulement dans le réseau de canalisation. Les résultats montrent que deux des trois buses sont en charge lors d'une pluie centennale, et qu'il n'y aura pas de débordement dans les noues pour une pluie de période de retour inférieure ou égale à 100 ans.

L'analyse de la vitesse d'écoulement indique que seulement 4 des 53 tronçons du réseau ont une vitesse supérieure à 4 m/s, ce qui est généralement accepté pour les écoulements d'occurrence centennale. Il n'est pas nécessaire de corriger la vitesse, car elle n'excède pas 6 m/s occurrence de pluie.

L'analyse de la rétention dans le Talweg montre que ce dernier peut stocker jusqu'à 16000 m³ d'eau lors d'une pluie centennale, avec un temps de vidange d'environ 2 jours.

Sans le stockage au niveau du talweg, le débit de pointe transitant dans l'aqueduc atteindrait 4,83 m³/s, mais avec le stockage, il est réduit à 3,75 m³/s. Notons que l'aqueduc a été dimensionné pour transiter un débit de 7,04 m³/s.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 6: Profil en long du réseau pluvial</figcaption></figure>

**4- Conclusion:** La modélisation hydraulique des écoulements dans la zone d'activité du port de Nesle permet de confirmer que le réseau d'assainissement est correctement dimensionné pour éviter tout débordement majeur, même lors de pluies centennales. Le comportement hydraulique du réseau ne constitue pas un facteur limitant pour la mise en place des aménagements prévus

## 6- Références :

1- ASCE,(1992), Design & Construction of Urban Stormwater Management Systems, New York, NY

2- B. KERLOC'H (C.E.T.E. NORD - PICARDIE) et D. MAELSTAF, 2014 : Le dimensionnement des réseaux d'assainissement pour les agglomérations, 67p.

3- CERTU 2003, La ville et son assainissement : principes, méthodes et outils pour une meilleure intégration dans le cycle de l'eau.

4- DION, Yves, 2006, Restructuration hydraulique et environnementale des réseaux d'assainissement. Thèse de doctorat. École de technologie supérieure.

5- DUBOIS, Jérôme et SCHLEISS, Anton. Comportement hydraulique et modélisation des écoulements de surface. EPFL-LCH, 1998.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 3: Représentation du ruissellement dans EPASWMM</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 4: Hyétogramme pour des pluies centennales de 6h, 12h et 24h</figcaption></figure>

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 5: Profil de débits en fonction du temps</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 7: Présentation des vitesses dans les canalisations</figcaption></figure>

1- https://echo2.epfl.ch/e-drologie/chapitres/chapitre11/main.html

2- https://wikhydro.developpement-durable.gouv.fr/index.php/Portail:Wikhydro.

3- https://hmf.enseeiht.fr/travaux/beiepe/book/export/html/3487.

4- https://sig.ville.gouv.fr/Territoire/QP059022#thematique-header-16.