Soutenance mémoire
La division Eau et Environnement du LCPC
Ce travail s’est déroulé au sein du Laboratoire Central de Ponts et Chaussées (LCPC), plus précisément dans la Division «Eau et Environnement ». La division participe à l’Institut de Recherche sur les Sciences et Techniques de la Ville, l’IRSTV. Dans le contexte de gestion durable de l’eau en milieu urbain, la thématique générale de la division est la « maîtrise des eaux pluviales dans les espaces aménagés » (espaces urbains). Les recherches qui y sont menées peuvent être regroupées selon cinq thèmes:
– Hydrologie quantitative et qualitative des espaces aménagés ;
– Risque hydrologique ;
– Eco-compatibilité des matériaux alternatifs en construction routière ;
– Représentativité et fiabilité des mesures en hydrologie et assainissement urbains.
Une part importante de l’activité de recherche dans la division est consacrée aux eaux pluviales en milieu urbain et périurbain: hydrologie, assainissement, techniques alternatives à l’assainissement pluvial et pollution des eaux de ruissellement. La gestion des eaux urbaines de temps de pluie connaît actuellement une mutation rapide favorisant la maîtrise des débits et la réduction des rejets polluants au milieu naturel. Sur le plan scientifique, cette mutation, exigeante, implique de progresser dans notre connaissance des différentes composantes du bilan hydrologique en milieu urbain, mais aussi de s’orienter vers une modélisation couplée des flux d’eau et de pollution associée. Dans ce contexte, la division s’est intéressée à la Chézine, un bassin versant périurbain qui présente à la fois une partie rurale et une partie urbaine croissante. Les photos du bassin dans la Figure 1 montrent les paysages contrastés que l’on trouve sur le bassin. Les études sur la Chézine sont réalisées en collaboration avec Nantes Métropole (communauté urbaine) dans le cadre du programme Neptune, conçu pour l’amélioration de la qualité des cours d’eau et des milieux associés. Les bureaux d’études Biotope et DHI, en 2005, ont mené une enquête sur la vallée de la Chézine pour le compte de Nantes Métropole en étudiant différents aspects : hydrologiques, hydrauliques, biologiques et morphologiques sur ce bassin versant. Au LCPC le travail sur la Chézine a été entamé par le stage d’Amélie Priou en 2005. A partir d’une analyse des données hydrologiques relatives aux années 2001 à 2004, Priou a fait deux hypothèses sur le comportement du bassin : la première de l’existence d’un comportement saisonnier, selon lequel les évènements d’été présenteraient un ruissellement nettement plus faible que les évènements d’hiver ; et un deuxième sur la contribution des zones rurales et urbaines, qui pouvait expliquer la présence fréquente de deux pics dans les hydrogrammes. Nous allons réaliser une investigation plus approfondie dans le but de vérifier la pertinence de ces hypothèses. Priou a essayé de reproduire la réponse du bassin avec TOPMODEL et également avec sa version « urbanisée » TOPURBAN. Ce dernier a été développé pour prendre en compte la présence des surfaces urbaines dans la génération du ruissellement. C’était donc potentiellement une bonne solution pour modéliser les bassins périurbains comme celui de la Chézine. Plusieurs calages pour comparer les deux modèles ont été réalisés, notamment en faisant la distinction entre les évènements d’été et les évènements d’hiver. Par contre, au final de son travail Priou est arrivée à la conclusion de que l’efficience de ces calages n’était pas globalement satisfaisante pour les deux modèles.
Le projet « Assessing Vulnerability of Peri-urban Rivers » (AVuPUR)
L’étalement urbain croissant augmente la pression sur les eaux des zones situées en périphérie des grandes villes. Le fonctionnement hydrologique des bassins versants est modifié, notamment par l’imperméabilisation des surfaces, par la concentration des écoulements dans les réseaux d’assainissement et par les autres changements morphologiques et topologiques qui caractérisent les bassins urbains. Ces phénomènes et les pollutions qui y sont associées ont des conséquences importantes comme par exemple l’altération chimique et biologique des cours d’eau. Ils peuvent également aggraver les risques d’inondations et de sécheresse de la région. Sous la pression réglementaire (Directive Cadre Européenne sur l’Eau) et la demande sociétale, les décideurs sont confrontés à des choix complexes en termes d’aménagement. Il est donc nécessaire de mettre au point des outils (méthodes et des modèles) capables de quantifier l’impact de l’augmentation de l’urbanisation sur la vulnérabilité des hydrosystèmes périurbains. Le projet ANR AVuPUR (2008-2010) contribue au développement de ces outils. L’objectif général (et de long terme) est d’aboutir à une modélisation intégrée des bassins versants périurbains incluant les aspects hydrologiques, chimiques, biologiques et géomorphologiques. Pour une première étape, le projet s’est focalisé sur la modélisation du cycle de l’eau des bassins périurbains de taille moyenne (10-100 km²). Il s’appuie pour cela sur deux bassins versants expérimentaux soumis à une urbanisation croissante et situés dans des régions climatiques et géologiques contrastées: l’Yzeron (147 km2) en périphérie lyonnaise et la Chézine (34 km2), dans la banlieue de Nantes. Le projet est divisé en 4 phases (ou work packages):
WP1 : Documentation des bassins versants en incluant les données hydrologiques, la caractérisation des sols et de l’occupation des sols. Il s’agit notamment de documenter les chemins de l’eau dans les zones rurales et urbaines en s’appuyant sur des mesures de terrain, de l’analyse d’images et de la topographie haute résolution. Les données seront incluses dans des bases de données et des systèmes d’information géographique (SIG) qui serviront de base aux modélisations prévues dans les WP2 et WP3.
· WP2 : Evaluation et amélioration des modèles détaillés du cycle hydrologique, adaptés aux zones périurbaines. Ce WP vise à adapter des modèles existants, pour inclure les discontinuités liées aux éléments naturels (tels que le réseau hydrographique) et anthropiques (comme les routes, les ouvrages et les zones urbanisées).
· WP3 : Amélioration des représentations simplifiées utilisables à plus grande échelle et pouvant être intégrées à des outils opérationnels. Les mécanismes de production seront simulés par des approches de type réservoir ou à base de surfaces saturées, adaptées aux zones urbanisées.
· WP4 : Analyse de sensibilité et simulation de scénarios pour quantifier l’impact des changements d’occupation des sols passés ou futurs, ainsi que du changement climatique sur la vulnérabilité des hydro-systèmes. Pour finir, les résultats de ces simulations seront traduits sous forme d’indicateurs de modification du régime hydrologique et reliés à l’impact sur la géomorphologie des cours d’eau.
La partie de ce rapport consacré à l’analyse des données hydrologiques et géographiques s’insère dans les tâches du WP1. Ce travail contribue aussi au WP3 comme étude préliminaire pour la définition de la fonction de transfert du futur modèle hydrologique développé par le LCPC.
Géologie et occupation du sol
Les trois formations géologiques prédominantes dans le bassin versant sont :
• Une partie des micaschistes et gneiss à deux micas, sur laquelle s’écoule la quasitotalité de la Chézine et en rive gauche,
• Une autre composée de limons et d’argile recouvrant le fond de la vallée
• Une zone granitique à deux micas étendue sur la rive droite.
Imperméable, ce sous-sol ne permet pas la formation de nappes phréatiques, et le réseau hydrographique est donc alimenté par les eaux de ruissellement et par plusieurs sources au débit relativement faible. La Figure 7 montre que, en effet, les remontées de nappes sont plutôt faibles dans le bassin. Cette information complétée par l’occupation du sol (Figure 8) constitue le départ de l’élaboration de notre hypothèse de fonctionnement de la Chézine : la contribution des nappes sur les débits étant négligeable, la Chézine est un ruisseau pluvial. Par conséquence la réponse du bassin parte plutôt du concept des zones contributives et nappes perchées. A l’amont du bassin les prairies sont visiblement prédominantes. Elles sont représentées en vert clair dans la Figure 8. La présence de cultures et maraîchages n’y sont pas négligeables. Dans la portion intermédiaire, l’hétérogénéité est très forte : la rive droite est toujours couverte principalement par des prairies alors que la rive gauche possède une grande zone urbaine (commune de Sautron). L’aval du bassin est fortement urbanisé par l’agglomération nantaise. Les bordures des cours d’eau, en revanche, sont encore protégés par des boisements et parcs urbains.
Définition des mailles imperméabilisées du bassin versant
Dans l’optique de prendre en compte les surfaces urbaines dans la modélisation, les mailles imperméabilisées du bassin versant ont du être définies. La partie de chaque maille interceptée par des surfaces de voiries ou des bâtiments a été considéré dans le pourcentage d’imperméabilisation calculé. La Figure 37 montre une partie du MNT intercepté par les voiries (en gris) et les bâtiments (en orange). La vue de l’ensemble est présentée dans la Figure 38, où on y trouve le cours d’eau en bleu, les limites du bassin en noir, les bâtiments en gris et les routes en orange.
Etude de la réponse du bassin en état hydrique sec
L’eau qui précipite sur les surfaces imperméables ne ruisselle pas totalement. Une fraction de la pluie est interceptée et stockée dans les dépressions du terrain. Une autre partie retourne à l’atmosphère via le phénomène d’évapotranspiration. Il s’agit de la fonction de production, mentionnée dans § 1.4. Comme ce travail est consacré à l’étude de la fonction de transfert, nous avons calculé la pluie nette de manière simplifie, afin de nous permettre comparer les courbes de débit observé avec les résultats obtenus à partir de la fonction de transfert géomorphologique. Ainsi, pour les évènements d’état hydrique sec, lors que 18% de surfaces urbanisées génèrent un coefficient d’écoulement de 0,06, il a été considéré que seul 1/3 des ces surfaces contribue réellement au ruissellement. Cette pluie nette est ensuite transférée en affectant une vitesse constante en rivière et une vitesse constante sur versant. Notre choix de vitesse initiale est basé sur l’observation de la réponse des évènements dont la pluie ne présente qu’un pic bien marqué et de courte durée, comme celui du 17 octobre 2007 (Figure 45). Le temps de réponse observé étant d’environ 1h15 et considérant que le premier pic de la fonction d’imperméabilisation (Imperviousness Function, Cf. §3), se trouve à environ 2.5km de l’exutoire, la vitesse moyenne sera par conséquent de 0.56m/s. Nous avons testé quelques combinaisons de vitesses en rivière et sur versant autour de cette moyenne et considéré les fourchettes de vitesse trouvées dans la littérature (Cf. §1.4) afin de choisir les vitesses de référence. Ce critère tient compte de l’écart relatif entre les valeurs simulées et les valeurs mesurées mais il s’intéresse aussi à la forme globale de la courbe. Plus le critère est proche de un et plus les résultats sont satisfaisants. Toujours dans l’analyse de l’épisode de référence du 17 octobre 2007, appliquant le test de Nash pour différentes vitesses sur versant et en rivière, entre 0.3 et 0.8m/s, nous avons atteint le meilleur coefficient de Nash de 0.59 pour les valeurs de 0.6m/s en rivière et 0.4m/s en versant. Le résultat de cette simulation est montré dans la Figure 43. Pour ces valeurs de vitesse, l’hydrogramme unitaire, ou la fonction de transfert, obtenu est représenté dans la Figure 45. Le rapport de volume d’eau ruisselé est caractérisé pour chaque évènement par le coefficient d’écoulement. Nous avons estimé ainsi la vitesse des autres évènements à partir du rapport entre les coefficients d’écoulement, les vitesses de référence et l’équation 9 (Cf.§1.4). Pour l’évènement du 17 juin 2007 (Figure 44) les vitesses calculées sont de 0,714m/s en rivière et 0,476m/s sur versant et le critère de Nash obtenu pour cette simulation est de 0,68. Nous avons appliqué cette procédure également pour l’évènement du 09 juillet 2002, qui présente un pic de pluie bien marqué. Le critère de Nash du résultat est de 0.65 (Figure 47). Bien que la décrue ne soit pas bien représentée dans les simulations, l’allure des courbes est assez similaire à celle des débits observés. Nous observons bien les deux pics qui s’expliquent par la réaction des surfaces imperméabilisées de Nantes et Saint Herblain pour le premier pic et celles des surfaces imperméabilisées de Sautron pour le deuxième. Comptetenu des hypothèses simples que nous avons faites, en particulier concernant la fonction de production, on peut considérer que ces résultats préliminaires pour les évènements d’état hydrique sec sont satisfaisants dans un premier temps.
Conclusion
Le travail s’est déroulé suivant une méthodologie différente des modélisations pluie débit classiques qui se résument en formulation, calage des paramètres et validation du modèle. Notre but n’est pas de développer un outil de prévision de crues dans un premier temps, mais d’apporter des connaissances sur les processus et les particularités du fonctionnement d’un bassin périurbain. Cette étude préliminaire nous permet de comprendre l’influence des éléments qui participent de la génération du ruissellement dans le bassin versant de la Chézine, où on trouve à la fois une grande surface rurale ou naturelle mais aussi une urbanisation hétérogène croissante. La démarche adoptée part d’hypothèses simples qui sont raffinés selon les résultats obtenus. Tout d’abord nous avons regardé dans les détails les évènements pluvieux sur sept années (2001-2007). Un travail précédant (Priou, 2005) basé sur l’analyse des données de 2001 à 2004 a montré une réponse saisonnière du bassin. Selon notre étude, bien que la tendance des évènements d’été soit en effet contrastée avec celle des évènements d’hiver, cette division regroupe des évènements pour lesquels la réponse hydrique du bassin diffère trop. L’analyse des données hydrométriques a mis en évidence l’existence de différentes réactions du bassin selon son état hydrique initial, représenté par le débit de base. Nous avons ainsi pu construire une fonction de transfert pour les évènements de faible débit de base, ou d’état hydrique initial sec, et puis nous l’avons adaptée pour les évènements d’état hydrique humide. Rappelant qu’il s’agit d’une approche maillée à partir du MNT, les étapes de cette démarche sont 4 :
1. Définition des pixels qui contribuent au ruissellement. Pour les évènements de type « sec », nous avons fait l’hypothèse que la zone rurale ne participe pas au ruissellement car elle infiltre ou stocke toute l’eau qu’y tombe. Comme les évènements secs présentent une réponse assez homogène avec un coefficient d’écoulement moyen de 0,06 et compte-tenu du taux d’imperméabilisation du bassin de 0,18, nous avons considéré que seul un tiers des pixels imperméables réagit. Pour les évènements de type humide nous avons considéré la même contribution de la partie urbaine et ajouté à la surface contributive les surfaces rurales saturées. La partie rurale qui réagit est obtenue à partir du coefficient d’écoulement observé qui ne provient pas des surfaces imperméabilisées et à l’aide des indices topographiques pour les localiser spatialement.
2. Calcul des distances entre chaque maille et l’exutoire. L’extraction du bassin versant et son réseau hydrologique est fait à partir du MNT et l’algorithme D8 pour déterminer les cheminements de l’eau. Nous avons calculé pour chaque pixel les distances parcourues en rivière et les distances parcourues sur versant.
3. Affectation des vitesses d’écoulement. Nous avons déterminé les vitesses d’écoulement en chaque type de surface (rivière, versant rural, versant urbain) à partir de l’analyse morphologique, les temps de réponses observés et la proportionnalité entre la vitesse et le débit.
4. Application des suites de pluies des évènements observés pour vérifier la cohérence entre la dynamique reproduite et les courbes des débits à l’exutoire. Les fonctions de transfert obtenues pour les évènements d’état hydrique sec expliquent les deux pics souvent observés sur les hydrogrammes. Dans le travail de Priou (2005), l’hypothèse pour les expliquer était que le premier pic représentait l’eau d’origine urbaine et le deuxième correspondait à la réaction des zones rurales. L’analyse morphologique montre que le premier pic de débit correspond au ruissellement provenant de Nantes et le deuxième de Sautron, c’est-à-dire que les deux pics sont présents même quand le ruissellement dans la zone rurale est négligeable. Néanmoins, nous pouvons observer dans les évènements d’hiver que le deuxième pic est en effet souvent bien amplifié par les contributions des surfaces saturées rurales.
Perspectives : Par rapport à la méthodologie ici appliquée, il y a encore des améliorations qui peuvent générer d’autres résultats et raffiner ceux qui ont été obtenus. Bien que nous ayons affecté différentes valeurs de vitesse d’écoulement suivant le type de surface (végétalisé, imperméabilisé, rivière) ce paramètre pourrait encore varier selon la position dans le bassin et prendre plus en compte les caractéristiques du milieu où l’eau coule. De nombreux travaux sont consacrés à la variation de la vitesse le long de la rivière. D’un point de vue expérimental, des jaugeages pourraient être effectués pour avoir une notion de la variation réelle de vitesse d’écoulement. Toujours dans la logique de ce travail d’essayer de mieux comprendre les évènements plutôt que de les modéliser directement, une analyse des images radar sur le bassin durant les évènements pluvieux permettrait de préciser l’impact de la distribution spatiale de la pluie sur la réponse hydrologique du bassin versant et potentiellement expliquer certains comportements, puisque devant cette étude, nous avons fait l’hypothèse classique d’une pluie spatialement uniforme. Une étude préliminaire sur l’influence d’un bassin de stockage localisé juste en amont de l’exutoire dans le parc de Procé indique que cet élément pourrait aussi influencer le débit observé, atténuant ses pics quand une part de l’eau est retenue pendant son remplissage (Leroux, 2008). Malheureusement ce travail n’a pas pu aboutir à une réponse a ce sujet puisque durant la période du stage, les conditions climatiques ont été défavorables (pas d’évènement pluvieux). Néanmoins, la forme allongée du pic de crue sur l’hydrogramme est observée dans certains épisodes. Notamment en mars 2001 nous avons trouvé deux temps de réponse de plus de 5h alors que la réponse du bassin en général ne dépasse pas 2h… Nous croyons qu’il serait intéressant de donner une suite à l’étude de ce bassin de stockage afin de confirmer son rôle dans la réponse hydrologique de la Chézine. Une fois que les processus et le fonctionnement du bassin seront bien compris à partir des études et analyses a posteriori de son comportement, il faudra aussi en dériver des outils prévisionnels, indépendants des paramètres calculés après la fin de l’évènement. Considérant que ce travail s’est focalisé sur la seule fonction de transfert, la principale perspective d’application et poursuite de ce travail sera de réaliser une modélisation hydrologique complète, ce qui est prévu dans le cadre du projet AVuPUR (ANR-VMC).
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Table des matières
0.Introduction
1. Présentation du contexte du travail
1.1 La division Eau et Environnement du LCPC
1.2 Le projet « Assessing Vulnerability of Peri-urban Rivers » (AVuPUR)
1.3 Présentation du bassin étudié : La Chézine
1.3.1 Localisation
1.3.2 Relief et topographie
1.3.3 Hydrographie
1.3.4 Climat
1.3.5 Géologie et occupation du sol
1.4 Introduction à la modélisation hydrologique
1.4.1 Traitement du MNT
1.4.2 Fonction de production
1.4.3 Fonction de transfert
2 Analyse des données hydrologiques
2.1 Sources des données
2.1.1 Données pluviométriques
2.1.2 Données limnimétriques
2.2 Traitement des données
2.3 Caractéristiques des évènements pluvieux
2.4 Résultats
2.4.1 Coefficient d’écoulement évènementiel
2.4.2 Débit de base
3 Analyse géomorphologique
3.1 Traitement des données géo-référencées
3.2 Définition des mailles imperméabilisées du bassin versant
3.3 Analyse morphologique
4 Détermination des fonctions de transfert
4.1 Etude de la réponse du bassin en état hydrique sec
4.2 Etude de la réponse du bassin en état hydrique humide
5 Conclusion
Références bibliographiques
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