Evaluation quantitative du ruissellement

Evaluation quantitative du ruissellement

Impact général du développement urbain sur le ruissellement

L’urbanisation dans un bassin versant peut produire des changements importants au cycle naturel de l’eau. Le remplacement des sols perméables qu’on retrouve à l’état naturel par des surfaces imperméabilisées, comme les toits ou les routes et les parking, entraîne une augmentation de la quantité de ruissellement ainsi qu’une dégradation des milieux récepteurs. Historiquement, jusqu’aux années 1960 en Amérique du Nord, l’évacuation rapide et efficace des eaux pluviales s’est avérée le principal (et souvent le seul) objectif visé par la mise en place des réseaux de drainage. Les conséquences de cette approche étaient prévisibles, conduisant à des inondations en aval, une pollution accrue des milieux récepteurs et des modifications aux cours d’eau. La figure 1 montre les principales composantes du cycle hydrologique. La précipitation qui atteint le sol peut soit ruisseler directement jusqu’à un cours d’eau, s’infiltrer dans le sol ou être interceptée par la végétation.

La pluie retenue par interception et une partie des quantités d’eau de surface peut retourner à l’atmosphère par évaporation. Quant à l’eau infiltrée, elle peut en partie percoler pour recharger la nappe phréatique et en partie s’écouler de façon souterraine pour rejoindre les cours d’eau ou la mer ne portion de l’eau infiltrée qui est emmagasinée près de la surface du sol est retournée à l’atmosphère par les plantes via un processus de transpiration. Les écoulements d’eaux souterraines maintiennent les débits dans les cours d’eau entre les événements pluvieux et sont conséquemment un facteur déterminant pour le maintien des habitats. Pratiquement donc, la précipitation s’abattant sur un territoire pourra prendre une ou l’autre des directions suivantes :

– Après une percolation à faible profondeur, l’eau pourra rejoindre un cours d’eau en s’écoulant lentement à travers le sol (écoulement hypodermique);

– Après une percolation verticale, elle ira rejoindre la nappe phréatique;

– Retour dans l’atmosphère (par évaporation des surfaces ou transpiration de la végétation);

– Écoulement sur le solruissellement de surface.

Traditionnellement, la conception des réseaux de drainage urbain s’est concentrée uniquement sur la composante de ruissellement de surface. Les tendances plus récentes en matière de gestion des eaux pluviales, ayant mis en évidence l’importance de contrôler non seulement l’augmentation des débits de ruissellement mais également les volumes, nécessitent de porter une attention plus poussée aux autres composantes, en particulier les processus d’infiltration. De façon générale, les techniques et méthodes de drainage à privilégier devraient viser à reproduire le mieux possible les conditions qui prévalaient avant le développement, ce qui implique nécessairement de tenir compte de l’ensemble des composantes dans le cycle hydrologique. L’analyse du bilan hydrique permet d’évaluer quelle portion de la précipitation ruissellera ou s’infiltrera. Les impacts de l’urbanisation sur le cycle de l’eau, qui sont schématisés à la figure 2, sont essentiellement liés à l’imperméabilisation des surfaces qui entraîne une réduction marquée des capacités d’infiltration du sol.

Le pourcentage de la pluie qui ruisselle augmentera donc avec le développement urbain, ce qui produira nécessairement une augmentation des débits et des volumes de ruissellement de ruissellement, couplée avec l’efficacité accrue des canaux et réseaux de drainage, se traduit finalement par une augmentation de la fréquence et de l’ampleur des débits dans les cours d’eau, et ce, pour la gamme complète des débits en temps de pluie. Les débits d’étiage, en période de temps sec, pourront quant à eux diminuer dans certains cas à cause de l’urbanisation (figure 3). La principale cause de cette réduction est la diminution des quantités d’eau infiltrées qui ne peuvent plus ainsi contribuer à la recharge des nappes souterraines. La mise en place de conduites peut également avoir un effet sur le niveau de la nappe phréatique dans un secteur urbanisé. La baisse des débits d’étiage pourra en retour avoir un impact sur la concentration des polluants dans les cours d’eau considérant les capacités de dilution qui sont réduites.

Les figures 4 et 5 fournissent d’autres représentations générales des modifications pouvant être apportées aux différentes composantes du cycle hydrologique par l’urbanisation d’un territoire. Globalement, on constate donc qu’il se produit avec l’urbanisation une altération significative de la quantité d’eau infiltrée et aussi de la partie de la précipitation qui peut s’évaporer, ce qui influence de façon marquée non seulement les débits de pointe qui sont générés mais également les volumes de ruissellement. Si on désire minimiser les impacts et tenter de reproduire après le développement les conditions qui prévalaient avant l’urbanisation, on devra donc, comme le recommandent les approches et tendances plus récentes en gestion des eaux pluviales, porter une attention particulière à la gestion des volumes de ruissellement (et non pas seulement aux débits de pointe).

Les approches à privilégier pour la réduction des volumes de ruissellement comprennent des techniques impliquant l’infiltration, l’évapotranspiration et la réutilisation des eaux pour différents usages. Comme ces pratiques sont plus difficilement applicables à grande échelle, il est recommandé donc, de tenter d’effectuer les contrôles le plus près possible de la source. Les pratiques traditionnelles de gestion des eaux pluviales, comme les bassins de rétention, offrent très peu de possibilités quant à la réduction des volumes puisqu’ils ne produisent généralement qu’un simple décalage dans le temps des débits (les volumes totaux se déversant au milieu récepteur étant pratiquement inchangés par le bassin). Cet impact sur le régime hydrologique est par ailleurs non uniforme en ce qui a trait aux périodes de retour des événements considérés. En effet, plusieurs études ont permis d’établir que les effets de l’urbanisation sur les débits sont plus importants proportionnellement pour les événements fréquents que pour les événements plus rares. À titre d’exemple, Hollis (1975) a observé pour un bassin avec un pourcentage imperméable de 30 % que les débits de récurrence 1 dans 100 ans augmentaient par un facteur 1,5 alors que ceux pour une récurrence de 1 dans 2 ans ou annuel augmentaient par des facteurs variant de 3,3 à 10,6 respectivement.

De plus, à mesure que le territoire s’urbanise, on assiste à une augmentation du ruissellement pour des épisodes de pluies fréquentes (par exemple inférieur à une fréquence de 1 dans 2 ans) et, conséquemment, à une augmentation de la fréquence d’apparition de pointes de débit dans les réseaux et cours d’eau. À titre d’exemple, lorsqu’on est en présence d’un champ ou d’une forêt, les petites pluies produiront un ruissellement faible ou même nul alors qu’après l’urbanisation, ces mêmes pluies pourront générer des débits plus appréciables. La figure 6 fournit une illustration de ce point, en mettant en évidence les différences importantes de ruissellement généré entre un boisé et une aire de stationnement largement imperméabilisée. La figure fait également ressortir le fait que les écarts relatifs entre les débits de ces deux états du territoire sont plus importants dans le cas de pluies moins abondantes, donc plus fréquentes. La gestion du ruissellement pour de petits événements pluvieux est un aspect important à considérer pour le contrôle de la qualité des eaux rejetées et de l’érosion en cours d’eau.

Impacts quantitatifs

Comme le montre la figure 8, adaptée de Marsalek (1991), le pourcentage imperméable fournit un indicateur fondamental des changements hydrologiques associés à l’urbanisation : au fur et à mesure que l’imperméabilisation d’un secteur augmente, les pourcentages de ruissellement de surface et d’infiltration se modifient et pour un terrain 100 % imperméable, le pourcentage d’infiltration est relativement faible.

La figure 9, basée sur les mesures obtenues aux États-Unis dans le cadre du programme NURP (National Urban Runoff Program, EPA, 1983), illustre cette relation qui a été établie entre le coefficient de ruissellement et le pourcentage imperméable. On constate évidemment que le pourcentage de précipitation qui est transformé en ruissellement augmente proportionnellement avec le pourcentage imperméable. Soulignons que les événements inclus dans ce graphique sont de façon générale des événements d’ampleur relativement petite et on constate également qu’il y a une dispersion appréciable des quantités qui ruissellent pour un même pourcentage d’imperméabilité, ce qui peut évidemment dépendre d’autres caractéristiques des bassins étudiés (comme la pente) mais également des conditions antécédentes de précipitation.

Généralement, il est observé que les débits de récurrence plus rare sont moins affectés que les débits plus fréquents et que les impacts hydrologiques de l’urbanisation tendent à diminuer, en terme relatif, à mesure que l’intervalle de récurrence augmente. Hollis (1975) et plusieurs autres chercheurs ont indiqué qu’il n’était pas rare qu’un événement associé auparavant à une période de retour de 1 dans 10 ans devienne, avec une urbanisation accrue, un événement beaucoup plus fréquent, avec par exemple une période de retour de 1 dans 2 ans. Une autre importante caractéristique des bassins versants imperméabilisés suite à l’urbanisation est la production de ruissellement même durant des événements pluvieux relativement petits. Comme on l’a déjà souligné, en conditions naturelles ces précipitations ne génèrent pas ou peu de ruissellement à cause de l’interception, de l’infiltration et de l’évapotranspiration, alors qu’avec l’urbanisation, on crée de nouveaux événements de ruissellement.

Cette modification peut évidemment apporter des impacts non négligeables à la morphologie des cours d’eau. Un autre élément mis en évidence par la figure 10 est l’augmentation non seulement du débit de pointe mais aussi du volume de ruissellement. Il est important de reconnaître qu’un bassin de rétention qui n’a pour objectif que de limiter les débits après ruissellement à ceux qui prévalaient avant le développement ne fait que retenir les volumes de ruissellement accrus et les relâcher en les décalant dans le temps. Ceci pourra donc créer des conditions dans les cours d’eau où on relâchera un débit pouvant potentiellement causer de l’érosion pendant une période relativement longue. C’est pourquoi les techniques et approches de réduction près de la source des volumes de ruissellement deviennent importantes à considérer dans un plan de gestion des eaux pluviales.

Un des principes fondamentaux de la gestion des eaux pluviales devrait être de préserver ou de reproduire le mieux possible, par différentes techniques et pratiques, le cycle hydrologique naturel, cela non seulement pour les débits relativement rares (pour minimiser les inondations et refoulements) mais également pour les débits associés à des événements pluvieux plus fréquents.

Table des matières

Introduction
Chapitre préliminaire : présentation de l’organisme d’accueil
I- Présentation
II- Domaines d’intervention
III- Moyens humains & matériels
Première partie : les eaux de ruissellement et leurs caractéristiques
Chapitre I : Impacts du ruissellement et justificationsImpact général du développement urbain sur le ruissellementImpacts quantitatifsIII. Impacts qualitatifsImpacts sur la morphologie et l’écologie des cours d’eauImpacts appréhendés des changements climatiques sur le drainage urbain
Chapitre II : Evaluation quantitative du ruissellement : Aspects hydrologiques
Analyse du ruissellement urbain
Les processus de ruissellement et d’écoulement des eaux pluviales
III. Précipitation
Pertes
COURBES IDF
Les pluies de projet
VII. Méthode rationnelle pour l’estimation des débits de ruissellement et des hydrogrammes
VIII. Écoulement souterrain
Deuxième partie : Nouvelles optiques de gestion des eaux pluviales
Chapitre I : Développement du territoire et pratiques de gestion des eaux pluviales
Principes d’aménagement
Les pratiques de gestion optimales des eaux pluviales
Chapitre II : Bassins de rétention
Définitions et principe de fonctionnement
Dimensionnement
III. Conception
Gestion des eaux pluviales dans les projets d’aménagement : Cas de la ville de Casablanca
Entretien
Les bassins de rétention : Fiche technique
Chapitre III : Conception et dimensionnement d’un bassin de rétention des eaux pluviales – Cas de la ville de Casablanca
I- Données de base
Conception et dimensionnement du réseau des eaux pluviales
III. Conception et dimensionnement du bassin de rétention
Implantation et calage des bassins de rétention
Réalisation du projet
Estimation du coût du projet
Conclusion

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