Aléas hydrologiques

L’approche intégrée

Au début du 21e siècle, les trois approches hygiéniste, hydraulique et environnementaliste ont été combinées pour donner naissance à l’approche dite « intégrée » (Bertrand-Krajewski (2000). En effet face aux limites de l’approche traditionaliste de l’assainissement pour la gestion des eaux pluviales, la maitrise du ruissellement qui favorise la qualité des milieux naturels récepteurs, la qualité de vie des habitants et une meilleure gestion du risque inondation passe par une approche globale du cycle de l’eau, qui intègre la problématique de l’ensemble du bassin versant et du système d’assainissement, tout en les intégrant dans l’urbanisme. (Chocat, 2008; IBGE, 2011; Raccord et plastiques nicoll, 2011). Selon Mailhot et al. (2007), certains évènements qui ont causé des dommages par le passé, n’étaient pas tous de récurrence rare.

En fait, les scientifiques cherchant une explication au phénomène d’inondation se divisent en deux groupes. Certains rendent les changements climatiques (CC), responsables de l’augmentation de la fréquence et de l’intensité des inondations, pendant que pour d’autres, l’urbanisation incontrôlée avec son corollaire, l’imperméabilisation des sols en est la cause. La plupart des chercheurs sont unanimes au sujet des CC; il s’agit d’un phénomène réel et les effets se font déjà sentir sur l’ensemble de la planète. De l’avis de ceux – ci, le phénomène s’amplifiera dans les années à venir malgré la mise en oeuvre de la politique de réduction des Gaz à effet de serre (GES) décidée par les instances internationales. Les divergences apparaissent entre eux, quand il s’agit de quantifier l’incidence des changements climatiques sur les variables telles que la température, l’intensité de la pluie, etc.

Des tendances sont toutefois annoncées; au cours du présent siècle, le régime des pluies connaitra une modification au niveau des fréquences et des intensités des évènements climatiques extrêmes en fonction des zones géographiques. Selon le rapport de Mailhot et al.(2007), l’augmentation de l’intensité de la pluie sera comprise entre 7% et 23%; les augmentations étant plus fortes pour les durées de pluie courte. Pour d’autres chercheurs Neppel et al.(2003), les tests de stationnarité et les données historiques ne révèlent pas de tendances significatives à l’augmentation des pluies extrêmes. Par contre, pour ces derniers cités, l’augmentation réelle des inondations est en fait principalement liée à l’augmentation de la vulnérabilité des bassins face à l’aléa. Les travaux du Centre d’étude du machinisme agricole et de génie rural des eaux et forêt (CEMAGREF) confirment cette dernière assertion en caractérisant le risque inondation comme étant le croisement d’un aléa et d’une vulnérabilité (Auzet, 1999) et (Leblois et d’intérêt public Hydrosystèmes, 1999).

Vulnérabilité hydrologique

La vulnérabilité hydrologique est la sensibilité d’un territoire à un aléa hydrologique. Cette sensibilité se décline en termes de dommages aux personnes et aux biens, de perturbation de l’activité socio-économique (Dreal nord-pas-de-calais, 2007). La vulnérabilité face aux risques naturels est de plus en plus forte, les enjeux plus élevés et le degré de tolérance aux risques naturels plus sévère. Les équipements de base d’un foyer moderne de nos jours n’ont rien de comparable avec celui d’un foyer du début de l’industrialisation. Chaque foyer possède aujourd’hui une ou deux voitures, un téléviseur, un lecteur digital versatil disc (DVD), un ordinateur, une connexion internet, etc. La perception de la notion de risque a évolué au fil du siècle. Le vécu, les réactions des habitants face aux catastrophes naturelles ne peuvent plus être les mêmes dans nos sociétés urbanisées qu’ils ne l’étaient dans le monde majoritairement rural dans un passé récent. L’augmentation constante de la population a accentué la pression sur le milieu naturel et augmenté les enjeux exposés au risque. L’urbanisation mal contrôlée entraine la création de quartiers pauvres, périurbains, dans des zones dangereuses comme (les pentes et talwegs des collines, les lits majeurs et mineurs des cours d’eau, les plaines alluviales, etc.), ce qui amplifie de manière disproportionnée la vulnérabilité des bassins versants exposés à l’aléa hydrologique (inondation).

Le concept d’urbanisation qui a prévalu jusqu’à un passé récent : le tout-à-l’égout et le tout béton avec l’évacuation des eaux pluviales dans des égouts largement dimensionnés, l’imperméabilisation tous azimuts, modifient considérablement les conditions hydrologiques en milieu urbain, par rapport au milieu rural. Il soustrait de l’infiltration les eaux de pluie d’une grande partie du bassin versant, augmentant ainsi le volume ruisselé.et le débit de pointe, réduisant le temps de réponse du bassin versant comme le montre la Figure 1.1. En zone rurale, la mauvaise utilisation des terres, notamment la déforestation sauvage et les activités agropastorales intensives modifie l’évapotranspiration, la perméabilité des sols. Cette pression sur le foncier rural est aussi souvent à l’origine de l’augmentation du ruissellement, de l’érosion des terres dont les conséquences peuvent être dramatiques lors d’évènements pluviométriques (glissement de terrain, coulée de boues).

Méthodologie

Globalement, notre approche méthodologique sera axée sur l’utilisation de modèles de simulations hydrologique et hydraulique. Mais auparavant, il est opportun de donner quelques définitions. Selon le MDDEP (2010) les modèles sont une représentation simplifiée soit d’un processus ou d’un système pris dans son ensemble; un logiciel ou un programme regroupe un ensemble de lignes de code traduisant en langage informatique, les différents processus et relations mathématiques les décrivant. Partant de ces définitions nous retiendrons pour la suite de nos travaux que le modèle est la représentation schématique du processus hydrologique et hydraulique du ruissellement et le logiciel est SWMM5. Pour atteindre notre objectif qui vise l’analyse des impacts des dix paramètres sur le débordement de réseau, nous utiliserons des modèles de simulations hydrologiques et hydrauliques bien calibrés, aux caractéristiques diversifiées. Pour effectuer les simulations, nous utiliserons le logiciel SWMM5 développé par Environnemental Protection Agency (EPA).

C’est l’un des logiciels les plus utilisés en Amérique du Nord dans la modélisation et la simulation en hydrologie urbaine. Depuis sa création, il a été utilisé abondamment dans des études de réseaux d’eaux usées et d’eaux pluviales à travers le monde. Une bibliographie rassemblant les références pour plusieurs études de cas est disponible pour attester de sa validité (Rossman et Supply, 2004). Le logiciel estime entre autres, les volumes de ruissellement, les hauteurs d’eau dans les regards, les volumes de débordement au droit desdits regards pour des pluies réelles ou synthétiques. Une présentation de SWMM5 adaptée de Rossman (2006) est faite à l’ANNEXE I. Les résultats de simulations réalisées avec le logiciel nous permettront d’estimer l’IPH hydraulique (IPH) (Bennis et al, (2003), le taux de variation du volume ruisselé, le taux de débordement au droit des regards.

L’IPH, le taux de variation du volume ruisselé, et le taux de débordement seront utilisés comme indicateurs d’impact au cours de cette présente étude. Dans un premier temps, l’étude sera menée sur des réseaux synthétiques, en adoptant une approche multi-paramètres pour rendre les conclusions versatiles et universelles. Pour être valide, une telle analyse doit être menée, sur des formes de réseaux suffisamment variées, pour être considérées comme représentatives de la diversité des cas rencontrés dans la réalité. Pour chacune des configurations retenues, nous allons estimer les indicateurs d’impact sur le réseau, en faisant varier séparément et successivement tous les paramètres intrinsèques et extrinsèques des réseaux.

Dans un deuxième temps, nous proposons de valider les résultats obtenus dans la première phase de l’étude, en considérant l’étude de cas d’un réseau réel. Le réseau de drainage de la ville de Montréal, de par sa taille et son hétérogénéité globale, constitue un excellent laboratoire en grandeur nature pour la réalisation de cette étude. Nous avons actuellement accès en temps réel, à partir de nos terminaux à l’École de technologie supérieure (ÉTS), à plusieurs paramètres quantitatifs et qualitatifs du ruissellement mesurés en continu dans le réseau de l’arrondissement de Verdun. Comme il est difficile de prédire l’impact des CC, sur l’augmentation des intensités des précipitations au niveau du site de l’étude, nous adopterons deux voies différentes pour mener à bien ces travaux :

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Généralités
1.2 Aléas hydrologiques
1.2.1 Tendances historiques des précipitations
1.2.2 Modèles de circulations générales
1.3 Vulnérabilité hydrologique
1.3.1 Système d’assainissement
1.3.2 Topographie du site
1.3.3 Situation géographique et les types de sol
1.3.4 Entretien et maintenance des ouvrages
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Méthodologie
2.2 Mise en œuvre pratique de la méthodologie
2.3 Bassin versant synthétique
2.4 Paramètres de simulations
2.4.1 Paramètres des changements climatiques : la pluie
2.4.2 Paramètres liés à l’urbanisme
2.4.3 Paramètres liés à la maintenance
2.5 Paramétrage du modèle
CHAPITRE 3 ANALYSE DE SENSIBILITÉ
3.1 Généralités
3.2 Indicateurs d’impacts hydrologique et hydraulique
3.2.1 Indice de performance hydraulique
3.2.2 Taux de variation du débit de ruissellement
3.2.3 Taux de débordement du débit de ruissellement
3.3 Paramètres de l’analyse de sensibilité
3.3.1 Points de différence des bassins versants pilotes
3.4 Synthèse des résultats de l’analyse de sensibilité
3.4.1 Organisation des résultats
3.4.2 Analyse de l’impact de la pluie
3.4.3 Analyse de l’impact de l’imperméabilisation des surfaces
3.4.4 Analyse de l’impact de l’infiltration dans le sol
3.4.5 Analyse de l’impact des pentes du terrain naturel
3.4.6 Analyse de l’impact des surfaces de ruissellement
3.4.7 Analyse de l’impact de la sédimentation dans les conduites de drainage
3.4.8 Analyse de l’impact de la rugosité des surfaces imperméables
3.4.9 Analyse de l’impact de la rugosité des surfaces perméables
3.4.10 Analyse de l’impact de la rugosité des conduites
3.5 Interprétation des résultats de l’analyse de sensibilité
3.5.1 Impact de la pluie
3.5.1.1 La pluie d’intensité variable dans le temps
3.5.1.2 La pluie d’intensité constante
3.5.2 Impact des surfaces imperméables
3.5.3 Impact de l’infiltration dans le sol
3.5.4 Impact des pentes du terrain naturel
3.5.5 Impact des surfaces de ruissellement
3.5.6 Impact de la sédimentation dans les conduites de drainage
3.5.7 Impact de la rugosité des surfaces imperméables
3.5.8 Impact de la rugosité des surfaces perméables
3.5.9 Impact de la rugosité des conduites de drainage
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 GÉNÉRALISATION DE L’ÉTUDE AU BASSIN VERSANT SYNTHÉTIQUE ÉTENDU
4.1 Généralités
4.1.1 Les paramètres qui caractérisent les changements climatiques
4.1.2 Les paramètres qui caractérisent l’urbanisme
4.1.3 Les paramètres qui caractérisent la maintenance des réseaux
4.2 Synthèse des résultats de l’étude du bassin versant étendu
4.2.1 Analyse de l’impact des changements climatiques
4.2.2 Analyse de l’impact de l’urbanisme
4.2.3 Analyse de l’impact de la maintenance
4.3 Analyse et interprétation des résultats de l’étude du bassin versant étendu
4.3.1 Pondération des indicateurs d’impacts
4.3.2 Traitement des indicateurs d’impact
4.3.3 Classement des indicateurs d’impact
CHAPITRE 5 ÉTUDE DE CAS : SITE DE L’ARRONDISSEMENT DE VERDUN
5.1 Présentation du site
5.2 Affectation des paramètres au bassin versant de Verdun
5.3 Synthèse des résultats de l’étude du bassin versant de Verdun
5.3.1 Analyse de l’impact des changements climatiques
5.3.2 Analyse de l’impact de l’urbanisme
5.3.3 Analyse de l’impact de la maintenance
5.4 Analyses et interprétation des résultats de l’étude de cas
5.4.1 Classement des indicateurs d’impact
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I PRÉSENTATION DE SWMM5
ANNEXE II VALEURS CARACTÉRISTIQUES DU BV SYNTHÉTIQUE
ANNEXE III PLUIES SYNTHÉTIQUES
ANNEXE IV RÉSULTATS INITIAUX (BV SYNTHÉTIQUE)
ANNEXE V LES INDICATEURS D’IMPACT DU TEST DE SENSIBILITÉ
ANNEXE VI DONNÉES INITIALES (SITE DE VERDUN)
ANNEXE VII RÉSULTATS ACTUELS (SITE DE VERDUN)
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES