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Quatre ans de recherche urbaine 2001-2004. Volume 2

 | 
Émilie Bajolet
, 
Marie-Flore Mattéi
, 
Jean-Marc Rennes

VI. Management, gestion et systèmes techniques

Étude phénoménologique en vue de dimensionner et d’analyser le fonctionnement des systèmes d’assainissement

Conception des réseaux d’assainissement : possibilité d’utilisation des anciennes méthodes dans le respect des nouvelles normes1

Zhenyu Xia

Texte intégral

  • 1 Thèse de doctorat sous la direction d’Olivier Blanpain.
  • 2 Chercheur-doctorant en génie urbain.

1Note portant sur l’auteur2

INTRODUCTION

2L’objet premier des réseaux d’assainissement pluviaux étant de protéger la ville contre les inondations, leur conception implique de fait la prise en compte du risque de dépassement des capacités des ouvrages. En effet, comme le dimensionnement de ces derniers est lié directement à la pluviométrie qui comporte un caractère fortement aléatoire, la protection apportée par les ouvrages d’assainissement ne peut être que partielle. Ils doivent donc être conçus en fonction d’un risque donné appelé période de retour de dysfonctionnement. Une fois la valeur du risque accepté posée, il s’agit donc d’utiliser des méthodes de dimensionnement permettant d’y répondre.

3Dans ce contexte, l’utilisation de la méthode de Caquot a été préconisée en France depuis 1949 [Chocat, 1997]. L’instruction technique de 1977 a confirmé par la suite son rôle quasi normatif. En un demi-siècle, sa large utilisation n’a pas conduit à des catastrophes en termes de conception d’ouvrages ce qui prouve son applicabilité. Il est néanmoins nécessaire de garder en mémoire ses limites :

  • Elle ne s’applique correctement qu’à des bassins versants urbains homogènes équipés d’un réseau correctement dimensionné sans ouvrage spécial et fonctionnant à la surface libre.
  • Elle n’informe que sur un débit maximum relié à une période de retour et ne peut donc renseigner sur des volumes.
  • Elle ne peut être utilisée pour établir le diagnostic d’un réseau existant.

4Ces limites ont poussé à la création de modèles dits « détaillés » reposant sur une double décomposition : décomposition du bassin versant en sous-éléments de natures différentes (tronçons, sous-bassins versants, ouvrages spéciaux…) et décomposition du phénomène de transformation pluie – débit en sous-phénomènes s’appliquant à chacun des sous-éléments. Il s’agit alors de déterminer les hydrogrammes de crue produits par une ou plusieurs pluies particulières. L’utilisation de ces modèles pour la conception a amené l’élaboration de « pluies de projet » définies par un hyétogramme synthétique auquel on peut rattacher une période de retour. De même que la méthode de Caquot, l’utilisation de ces modèles n’a pas conduit à des catastrophes.

5En 1996, apparaît la norme FN EN 752-2 relative aux réseaux d’évacuation et d’assainissement à l’extérieur des bâtiments. Elle peut être résumée par le tableau 1. Les réseaux doivent donc être dimensionnés pour une défaillance de période de retour connue. Ceci remet en cause l’utilisation des pluies de projet car, dans ce contexte, il s’agirait de considérer qu’une pluie de période de retour T génère un ruissellement dont les caractéristiques ont également une période de retour T et, comme l’a montré l’expérience, cette hypothèse n’est que très rarement vérifiée.

Tableau 1 – Résumé de la norme FN EN 752-2.

6La question qui se pose alors est de savoir si les méthodes actuellement utilisées permettraient avec quelques aménagements de garantir la sécurité visée ou si le concepteur se retrouve dans l’obligation de posséder et de modéliser des séries chronologiques de pluies réelles mesurées. L’objectif de cet article est donc d’étudier la possibilité d’appliquer la norme NF EN 752-2 en utilisant le concept de pluies de projet. Pour cela, il est tout d’abord nécessaire d’établir, à partir de séries de pluies mesurées, les périodes de retour des débits à l’exutoire de réseaux d’assainissement, puis de construire, à partir de ces mêmes séries de pluies, des pluies de projet, de comparer les débits obtenus grâce à ces dernières avec ceux obtenus dans la première étape et enfin, de conclure sur la pertinence de l’utilisation des pluies de projet dans le cadre de la norme NF EN 752-2.

CALCUL DES PÉRIODES DE RETOUR DES DÉBITS

7Le présent travail s’appuie sur un réseau fictif simple, c’est-à-dire ne comportant aucun ouvrage spécial à l’amont de l’exutoire. La surface totale du bassin versant est de 900 hectares. Il comporte quatre sous-bassins versants.

8Les données pluviométriques consistent en treize ans de pluies recueillies sur la communauté urbaine de Lyon, soit 889 hyétogrammes.

9Le logiciel utilisé pour simuler ces treize ans de pluies sur le réseau fictif est le logiciel CANOE [SOGREAH, 1999]. 889 débits de pointe sont alors obtenus. Comme l’objectif est de définir une loi de distribution permettant d’établir les relations entre les débits de pointe et les fréquences de dépassement, et que les valeurs concernées sont des valeurs extrêmes (période de retour élevée), le modèle statistique de Gumbel [Tassi, 1987 ; Haktanir, 1995], qui est la loi des valeurs maximales tirées d’une population distribuée exponentiellement, a été choisi. Sa fonction de répartition s’écrit :

10où F est la fréquence de dépassement et x les données observées.

11L’établissement empirique d’une relation approchée entre les fréquences de dépassement et les débits de pointe peut s’écrire [Musy, 2003] :

12où F est la fréquence de dépassement, R le rang de l’événement observé et P le nombre d’événements observés.

Fig. 1 – Calage des données totales.

Fig. 2 – Calage des 52 plus grandes données.

13Il reste alors à valider la qualité de l’ajustement. Si l’ensemble des 889 observations est retenu, nous observons, figure 1, que le calage est médiocre (coefficient de corrélation au carré de 0,5291). En revanche, si nous prenons les 52 valeurs observées les plus élevées, la qualité du calage est alors très satisfaisante (figure 2) (coefficient de corrélation au carré de 0,9569). Ceci confirme le choix d’une loi de distribution de type Gumbel.

14La transformation des fréquences en période de retour s’effectue grâce à la formule [Roux, 1996] :

15où T est la période de retour, D le nombre d’années observé, F la fréquence de dépassement et P le nombre d’événement observés.

16À partir des 52 valeurs les plus élevées, nous obtenons alors pour les périodes de retour un an, deux ans et cinq ans, les valeurs de débit de pointe du tableau 2.

Tableau 2 – Valeurs de débits de pointe pour les périodes de retour de 1, 2 et 5 ans.

CALCUL DES DÉBITS DE POINTE PAR LES PLUIES DE PROJET

17La pluie de projet est un événement pluvieux artificiel, représentatif de la pluviométrie locale, et auquel il est possible d’associer une période de retour [Chocat, 1997, p. 81]. Il existe divers modèles de pluies de projet. Dans le cadre de cette étude, nous avons choisi l’un des plus courants : la pluie double triangle symétrique (figure 3) [STU, 1986].

Fig. 3 – Schéma d’une pluie de projet symétrique.

18Les paramètres de construction de ce type de pluie sont la durée de pluie intense (la pointe au centre du hyétogramme de la figure 3) et les coefficients de Montana a et b obtenus par dépouillement statistique des hyétogrammes de pluies mesurées.

19La difficulté d’obtention d’un ajustement correct des coefficients de Montana fait qu’ils sont calculés sur des domaines de validité bien définis et qu’ils s’appliquent à des durées de pluies intenses différentes [Chocat, 1997]. Pour notre étude, nous avons retenu les valeurs usuelles des domaines de validité (tableau 3). Remarquons toutefois que ces domaines se superposent.

Tableau 3 – Domaines de validité.

20Nous obtenons en définitive 25 pluies de projet (chaque ajustement de Montana étant appliqué à cinq durées de pluie intense) qui après simulation donneront 25 débits de pointe pour chaque période de retour (figure 4).

COMPARAISON ET ANALYSE DES RÉSULTATS

21Figures 4, 5 et 6, apparaissent, pour les périodes de retour un an, deux ans et cinq ans, les débits de pointe obtenus par l’analyse statistique directe des débits (horizontale) et ceux obtenus par les pluies de projet selon les divers ajustements des coefficients de Montana (le temps de la légende correspond à la première valeur de chaque domaine de validité du tableau 2).

22Nous observons :

  1. Pour des débits de pointe issus de la méthode des pluies de projet, quelles que soient les périodes de retour, une augmentation au début assez rapide en fonction de l’augmentation de la durée de pluie intense jusqu’à un maximum puis une diminution.
  2. Que les débits de pointe issus de la méthode des pluies de projet sont supérieurs à ceux de la méthode de Gumbel pour chaque période de retour retenue.
  3. Que lors de l’augmentation de la période de retour, l’écart entre les deux types de débit de pointe pour une même durée de pluie intense devient de plus en plus important.

Fig. 4 – Débits de pointe pour la période de retour 1 an.

Fig. 5 – Débits de pointe pour la période de retour 2 ans. Fig. 6 – Débits de pointe pour la période de retour 5 ans.

Fig. 6 – Débits de pointe pour la période de retour 5 ans.

CONCLUSION ET PERSPECTIVES

23Après avoir effectué l’ensemble des simulations pluies – débits sur le réseau fictif test, nous arrivons à la conclusion que, pour une même période de retour, les débits obtenus par la méthode de pluies de projets du type double-triangle sont toujours supérieurs à ceux obtenus grâce à une analyse statistique directe. Ceci signifie que, dans ce cas, l’hypothèse qu’une pluie de période de retour T génère un ruissellement dont les caractéristiques ont une période de retour égale à T est fausse. Cependant, si l’on ramène la problématique à celle du dimensionnement d’ouvrages d’assainissement, nous remarquons que l’utilisation des pluies de projet va toujours vers une plus grande sécurité et que, par conséquent, elle répond à l’exigence de la norme NF EN 752-2.

24D’autres expériences (non présentées ici), effectuées sur d’autres réseaux tests, confirment cette conclusion. Il reste alors à généraliser ces résultats pour d’autres séries de pluies dans différentes régions.

25Se pose aussi le problème du dimensionnement des ouvrages de rétention qui se calcule, non pas en fonction du débit de pointe, mais du volume à stocker, de sa distribution temporelle et du débit de fuite choisi. Ce travail est actuellement en cours de traitement, toujours avec les mêmes treize années de pluies lyonnaises.

VALORISATION

26Blanpain O., Xia Z., (2004), « Conception des réseaux d’assainissement : pluies de projet et norme NF EN 752-2 », XXIIe Rencontres Universitaires de Génie Civil, Marne-la-Vallée, juin 2004.

Bibliographie

RÉFÉRENCES

Chocat, (1997), Encyclopédie de l’Hydrologique urbaine et de l’Assainissement, Éditions Lavoisier, 1124 p.

Haktanir, (1995), « A study on sensitivity of the probability-weighted moments method on the choice of the plotting position formula », Journal of hydrology, n° 168, pp. 265-281.

Musy, (2003), « Cours d’Hydrologie générale », Laboratoire d’Hydrologie et Aménagements (HYDRAM), Institut des Sciences et Technologies de l’Environnement (ISTE), École polytechnique Fédérale [EPFL].

Roux, (1996), Analyse des précipitations en hydrologie urbaine. Exemple de la Seine-Saint-Denis, thèse de l’ENPC, 290 p.

SOGREAH, (1999), Notice 1999 du logiciel de Canoë.

STU, (1986), Guide de construction et d’utilisation des pluies de projet, Service Technique de l’Urbanisme, 64 p.

Tassi, (1987), Méthodes statistiques, Éditions Economica, 369 p.

Notes

1 Thèse de doctorat sous la direction d’Olivier Blanpain.

2 Chercheur-doctorant en génie urbain.

Table des illustrations

Légende Tableau 1 – Résumé de la norme FN EN 752-2.
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URL http://books.openedition.org/pufr/docannexe/image/584/img-3.jpg
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Légende Fig. 1 – Calage des données totales.
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Légende Fig. 2 – Calage des 52 plus grandes données.
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URL http://books.openedition.org/pufr/docannexe/image/584/img-6.jpg
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Légende Tableau 2 – Valeurs de débits de pointe pour les périodes de retour de 1, 2 et 5 ans.
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Légende Fig. 3 – Schéma d’une pluie de projet symétrique.
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Légende Tableau 3 – Domaines de validité.
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Légende Fig. 4 – Débits de pointe pour la période de retour 1 an.
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Légende Fig. 5 – Débits de pointe pour la période de retour 2 ans. Fig. 6 – Débits de pointe pour la période de retour 5 ans.
URL http://books.openedition.org/pufr/docannexe/image/584/img-11.jpg
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Légende Fig. 6 – Débits de pointe pour la période de retour 5 ans.
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Auteur

Allocataire de recherche
mailto:Xiazy1972@yahoo.fr
Laboratoire LML (UMR 8 107)
Cité Scientifique
59655 Villeneuve d’Ascq Cedex

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