Analyse fréquentielle appliquée au dimensionnement des ouvrages de stockage des eaux pluviales

229 Pages·2011·5.89 MB·French

Université Lille1 : Sciences et UFR de géographie et
Technologies aménagement
Le laboratoire Territoires, Villes,
Ecole doctorale SESAM Environnement et Société (TVES)

THESE
Pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Lille1 Sciences et Technologies
Aménagement et urbanisme
Présentée et soutenue publiquement
par
Estain ABESSOLO. O
Analyse fréquentielle appliquée au dimensionnement des ouvrages de
stockage des eaux pluviales
Thèse soutenue le 10 Décembre 2010, devant le jury composé de :
M. François BUYLE-BODIN, professeur des Président
universités, Université Lille 1
M. Olivier BLANPAIN, professeur des universités, Directeur de thèse
Université Lille 1
M. Youssef DIAB, professeur des universités, Rapporteur
Université de Marne la Vallée
MME. Sylvie BARRAUD, maître de conférences HDR, Rapporteur
Université Claude Bernard, Lyon
ABSTRACT
StormWater storage structures or alternative techniques are used in urban areas to chop the
stormwater runoff thus permitting to prevent the risks of flood, and the overflows of the
storage structures downstream. They cover a large variety of forms and uses, and have design
methods (mainly methods resulting from the Technical Guidelines of 1977) which are not
very satisfactory. Therefore, other more reliable design methods must be conceived. That is
the objective pursued by this thesis.
Our challenge was to find a new tool to design, starting from the Design Storm concept.
Hydrological simulation of the watersheds (outflow rate calculation of watershed) and of
storage structures (storage volumes calculation) by reservoir models of storage allowed, by
the means of a frequential study and on the basis of 16 years of historical rains resulting from
the measuring site of Garland station in Lyon (France), to estimate storage volumes of return
periods 1, 2, 5 and 10 years for 36 cases tests resulting from the construction of an
experimental design. At the conclusion of these operations, we sought the Design Storm
morphology adapted to our problems and retained the form simple triangle.
Then, we worked to establish a relationship between Design Storm duration, return period and
the characteristics of watersheds and storage structures. This procedure succeeded to the
construction of a model on which a survey of performance permitted to reduce explanatory
variables number to 3. We retained this last for the quality of its results (criterion of best fit)
and its practical side (few variables to be informed). It was finally tested on a practical case.
Finally, we obtain a method completely adapted to the numerical models currently used and
allowing to estimate storage volume of a drainage system. It remains to check its
generalization in other geographical areas.

KEYWORDS: storage structure, Drainage, frequency analysis, help user to design
2
Résumé

Les ouvrages de stockage des eaux pluviales ou techniques alternatives sont utilisés en milieu
urbain pour écrêter les débits de ruissellement des eaux pluviales permettant ainsi de prévenir
les risques d’inondation et les débordements des ouvrages en aval. Ils ont comme
particularités de revêtir une grande variété de formes et d’usages et de posséder des méthodes
de dimensionnement (principalement les méthodes issues de l’Instruction techniques de 1977)
qui ne sont pas des plus satisfaisantes. Par conséquent d’autres méthodes de dimensionnement
plus fiables doivent être conçues. Tel est l’objectif poursuivi par cette thèse.

Nous avons donc pris le parti de concevoir un nouvel outil de dimensionnement à partir du
concept de pluie de projet. La simulation hydrologique des bassins versants (calcul des débits
à l’exutoire des bassins versants) et des ouvrages de stockage (calcul des volumes de
stockage) par des modèles de réservoir a permis, par le biais d’une étude fréquentielle et sur la
base de 16 ans de pluies historiques issues de la station de mesure de Gerland à Lyon
(France), d’estimer les volumes de stockage de période de retour 1, 2, 5 et 10 ans pour 36 cas
tests issus de la construction d’un plan d’expérience. A l’issue de ces opérations, nous avons
cherché la morphologie de pluie de projet adaptée à notre problématique et avons retenu la
forme simple triangle.

Ensuite, nous avons travaillé à l’établissement d’une relation entre la durée de la pluie de
projet, la période de retour et les caractéristiques des bassins versants et des ouvrages de
stockage. Cette procédure a abouti à la construction d’un modèle sur lequel une étude de
performance a permis de réduire le nombre de variables explicatives à 3. Nous avons retenu
ce dernier pour la qualité de ses résultats (critère d’ajustement optimal) et son côté pratique
(peu de variables à renseigner). Il a enfin été testé sur un cas pratique.

Au final, nous obtenons une méthode tout à fait adaptée aux outils de modélisation
actuellement utilisés et permettant d’estimer le volume de stockage d’un ouvrage
d’assainissement. Il reste à vérifier sa généralisation à d’autres zones géographiques.

Mots clés : Ouvrage de stockage, Assainissement, Analyse fréquentielle, Aide à la conception

3
Sommaire
Introduction Générale ................................................................................................................. 9
Chapitre 1 : Situation actuelle des ouvrages de stockage ......................................................... 11
1.1) Introduction ....................................................................................................................... 11
1.2) Présentation des ouvrages de stockage des eaux pluviales ............................................... 11
1.2.1) Les types d’ouvrages de stockage .............................................................................. 12
1.2.1.1) Les bassins en eau ..................................................................................................... 12
1.2.1.1.1) Fonctionnement et avantages ................................................................................. 12
1.2.1.1.2) Conception ............................................................................................................. 14
1.2.1.1.3) Entretien ................................................................................................................. 15
1.2.1.1.4) Coûts ...................................................................................................................... 15
1.2.1.2) Les bassins secs ........................................................................................................ 15
1.2.1.2.1) Fonctionnement et avantages ................................................................................. 15
1.2.1.2.2) Conception ............................................................................................................. 16
1.2.1.2.3) Entretien ................................................................................................................. 16
1.2.1.2.4) Coûts ..................................................................................................................... 17
1.2.1.3) Les bassins enterrés .................................................................................................. 17
1.2.1.3.1) Fonctionnement et avantages ................................................................................. 17
1.2.1.3.2) Conception ............................................................................................................. 19
1.2.1.3.3) Entretien ................................................................................................................. 19
1.2.1.3.4) Coûts ..................................................................................................................... 20
1.2.1.4) Les toits stockants ..................................................................................................... 20
1.2.1.4.1) Fonctionnement et avantages ................................................................................. 20
1.2.1.4.2) Conception ............................................................................................................. 22
1.2.1.4.3) Entretien ................................................................................................................. 22
1.2.1.4.4) Coûts ...................................................................................................................... 23
1.2.1.5) Les chaussées à structure réservoir ........................................................................... 23
1.2.1.5.1) Fonctionnement et avantages ................................................................................. 23
1.2.1.5.2) Conception ............................................................................................................. 27
1.2.1.5.3) Entretien ................................................................................................................. 27
1.2.1.5.4) Les coûts ................................................................................................................ 28
1.2.1.6) Les puits .................................................................................................................... 28
1.2.1.6.1) Fonctionnement et avantages ................................................................................. 28
1.2.1.6.2) Conception ............................................................................................................. 30
1.2.1.6.3) Entretien ................................................................................................................. 31
1.2.1.6.4) Les coûts ................................................................................................................ 31
1.2.1.7) Les noues .................................................................................................................. 31
1.2.1.7.1) Fonctionnement et avantages ................................................................................. 31
4
1.2.1.7.2) Conception ............................................................................................................. 34
1.2.1.7.3) Entretien ................................................................................................................. 35
1.2.1.7.4) Les coûts ................................................................................................................ 35
1.2.1.8) Les tranchées ............................................................................................................ 35
1.2.1.8.1) Fonctionnement et avantages ................................................................................. 35
1.2.1.8.2) Conception ............................................................................................................. 39
1.2.1.8.3) Entretien ................................................................................................................. 39
1.2.1.8.4) Les coûts ................................................................................................................ 40
1.2.2) Conclusion ................................................................................................................... 40
1. 3) Synthèse bibliographique des méthodes de dimensionnement des ouvrages de stockage
.................................................................................................................................................. 40
1.3.1) Introduction ................................................................................................................. 40
1.3.2) Méthode des pluies ...................................................................................................... 41
1.3.2.1) Hypothèses de la méthode ........................................................................................ 42
1.3.2.2) Principes de la méthode ............................................................................................ 42
1.3.2.2.1) Analyse statistique des intensités ou des hauteurs ................................................. 42
1.3.2.2.2) Détermination des courbes hauteurs-durée-fréquence (HDF) ............................... 43
1.3.2.2.3) Détermination de la hauteur à stocker ................................................................... 43
1.3.2.2.4) Limites d’application de la méthode des pluies ..................................................... 45
1.3.3) Méthode des Abaques ................................................................................................. 46
1.3.3.1) Hypothèses de la méthode ........................................................................................ 46
1.3.3.2) Méthode pratique de calcul ....................................................................................... 46
1.3.3.3) Limites d’application de la méthode ........................................................................ 48
1.3.4) Méthodes dynamiques ou de simulation ..................................................................... 48
1.3.4.1) Les séries chronologiques de pluies et leurs dérivés ................................................ 50
1.3.4.2) Les pluies de projet ................................................................................................... 52
1.3.4.2.1) Définition générale ................................................................................................ 52
1.3.4.2.2) Méthode de construction de la pluie de projet ....................................................... 53
1.3.4.2.3) Types de pluies de projet utilisés en France .......................................................... 54
1. 3.5) Conclusion .................................................................................................................. 59
Chapitre 2 : Méthodologie ........................................................................................................ 60
2.1) Introduction ....................................................................................................................... 60
2.2) Les données de base utilisées ............................................................................................ 61
2.2.1) traitement appliqué dans l’approche des séries chronologiques .................................. 61
2.2.2) Traitement appliqué dans l’approche des courbes IDF ............................................... 64
2.2.2.1) Conditionnement des données .................................................................................. 65
2.2.2.2) Constitution de l’échantillon des maxima ................................................................ 66
2.2.2.3) Choix du modèle fréquentiel .................................................................................... 68
5
2.2.2.3.1) Loi Normale ........................................................................................................... 68
2.2.2.3.2) Loi Log-Normale ................................................................................................... 68
2.2.2.3.3) L’expérience et la coutume .................................................................................... 68
2.2.2.3.4) Loi Gumbel ............................................................................................................ 69
2.2.2.4) Calage des données avec la loi de Gumbel ............................................................... 69
2.3) Modélisation ..................................................................................................................... 74
2.3.1) Présentation du modèle pour les bassins versants ....................................................... 75
2.3.1.1) La fonction de production ......................................................................................... 75
2.3.1.2) La fonction de transfert ............................................................................................. 75
2.3.2) Présentation du modèle pour les ouvrages de stockage ............................................... 77
2.4) Plan d’expériences ............................................................................................................ 78
2.4.1) Principes généraux du plan d’expériences ................................................................... 79
2.4.1.1) Contexte et objectif ................................................................................................... 79
2.4.1.2) Les moyens permettant d’atteindre l’objectif ........................................................... 80
2.4.1.3) Le modèle « représentatif » ..................................................................................... 81
2.4.2) Le plan orthogonal ....................................................................................................... 82
2.4.2.1) Les essais .................................................................................................................. 82
2.4.2.2) Propriétés statistiques du plan orthogonal ................................................................ 86
2.4.2.2.1) Se prémunir contre l’inadéquation ........................................................................ 86
2.4.2.2.2) Test de Fisher-Snedecor ........................................................................................ 87
2.4.2.2.3) Isoler chaque variable du modèle .......................................................................... 89
2.4.2.2.4) Le test de contribution marginale avec le t de Student. ......................................... 90
2.4.3) Analyse des résultats d’essais ...................................................................................... 90
2.4.3.1) L’estimation des coefficients .................................................................................... 91
2.5) Conclusion ........................................................................................................................ 92
Chapitre 3 : Application des méthodes des pluies et des abaques au dimensionnement des
ouvrages de stockage ................................................................................................................ 93
3.1) Calcul des volumes de stockage avec la loi de Gumbel ................................................... 93
3.1.1) Modélisation de la transformation pluie-débit ............................................................. 93
3.1.2) Analyse fréquentielle des volumes de stockage .......................................................... 94
3.1.3) Calcul des volumes de stockage .................................................................................. 95
3.2) Calcul des volumes de stockage avec la méthode des pluies ............................................ 98
3.2.1) Calcul des hauteurs de stockage .................................................................................. 98
3.2.2 Calcul des volumes de stockage ................................................................................. 100
3.3) Comparaisons des résultats de volumes de stockage entre les méthodes de Gumbel et des
pluies. ..................................................................................................................................... 102
3.3.1) Calcul des écarts ........................................................................................................ 102
3.3.2) Analyse des écarts ..................................................................................................... 104
6
3.3.3) Corrélation des résultats ............................................................................................ 107
3.4) Calcul des volumes de stockage avec la méthode des Abaques ..................................... 109
3.5) Comparaison des résultats de volumes de stockage entre les méthodes de Gumbel et des
Abaques .................................................................................................................................. 112
3.5.1) Calcul des écarts ........................................................................................................ 112
3.5.2) Analyse des écarts ..................................................................................................... 113
3.5.3) Corrélation des résultats ............................................................................................ 117
3.6) Conclusion ...................................................................................................................... 119
Chapitre 4 : Proposition d’un nouvel outil de dimensionnement des ouvrages de stockage . 120
4.1) Introduction ..................................................................................................................... 120
4.2) Choix du type de pluies de projet ................................................................................... 120
4.2.1) simulation avec une pluie de projet rectangle ........................................................... 121
4.2.2) Simulation avec une pluie de projet simple triangle .................................................. 125
4.3) Relation entre la durée totale de pluie et les caractéristiques du bassin versant ............. 127
4.3.1) Introduction ............................................................................................................... 127
4.3.2) Estimation des coefficients du modèle ...................................................................... 128
4.4) Analyse des résultats d’essais ......................................................................................... 130
4.4.1) Recherche du meilleur sous-modèle .......................................................................... 131
4.4.1.1) Analyse de la variance du modèle ........................................................................ 131
4.4.1.2) Test de Fisher-Snedecor ....................................................................................... 132
4.4.1.3) Test du t de Student .............................................................................................. 132
4.4.2) Optimisation du sous-modèle .................................................................................... 133
4.4.2.1) Optimisation du sous-modèle D = f (C, Qad, T) .................................................. 134
4.4.2.2) Optimisation du sous-modèle D = f (C, I, Qad, T) .............................................. 136
4.4.2.3) Optimisation du sous-modèle D = f (C, M, Qad, T) ............................................ 139
4.4.2.4) Optimisation du sous-modèle D = f (S, C, Qad, T) .............................................. 141
4.4.2.5) Choix final du modèle .......................................................................................... 143
4.5) Comparaison des résultats entre la méthode de Gumbel et la Nouvelle méthode .......... 144
4.5.1) Calcul des écarts ........................................................................................................ 144
4.5.2) Analyse des écarts ..................................................................................................... 147
4.5.3) Corrélation des résultats ............................................................................................ 150
4.6) Conclusion ...................................................................................................................... 152
Chapitre 5 : Test de la Nouvelle Méthode sur des bassins en série et parallèles ................... 153
5.1) Description de l’étude test .............................................................................................. 153
5.2) Calcul des volumes de stockage en utilisant la loi de Gumbel ....................................... 154
5.2.1) Calcul du volume de stockage Vs sur le BR1 .......................................................... 154
1
5.2.2) Calcul du volume de stockage Vs sur le BR2 .......................................................... 156
2
5.2.3) Calcul du volume de stockage Vs sur le BR3 .......................................................... 158
3
7
5.2.4) Calcul du volume de stockage Vs sur le BR4 .......................................................... 160
4
5.2.5) Calcul du volume de stockage Vs sur le BR5 .......................................................... 162
5
5.3) Calcul des volumes de stockage en utilisant la nouvelle méthode ................................. 164
5.3.1) Calcul du volume de stockage Vs sur le BR1 .......................................................... 165
1
5.3.2) Calcul du volume de stockage Vs sur le BR 2 ......................................................... 166
2
5.3.3) Calcul du volume de stockage Vs sur le BR 3 ........................................................ 168
3
5.3.4) Calcul du volume de stockage Vs sur BR 4 ............................................................ 169
4
5.3.4.1) Approche 1 ........................................................................................................... 170
5.3.4.2) Approche 2 ........................................................................................................... 172
5.3.5) Calcul du volume de stockage Vs sur le BR 5 ......................................................... 174
5
5.3.5.1) Approche 1 ........................................................................................................... 174
5.3.5.2) Approche 2 ........................................................................................................... 177
5.3.5.3) Approche 3 ........................................................................................................... 180
5.4) Calcul des écarts entre les deux méthodes ...................................................................... 182
5.5) Conclusion ...................................................................................................................... 183
Conclusion Générale .............................................................................................................. 184
Perspectives ............................................................................................................................ 188
Références bibliographiques .................................................................................................. 190
ANNEXE A – Délimitation des régions de pluviométrie homogène (source : Instruction
technique de 1977) ................................................................................................................. 197
ANNEXE B – Présentation de quelques hyétogrammes remarquables ................................. 198
ANNEXE C - Présentation des simulations non réussies sous la pluie de projet rectangle... 202
ANNEXE D – Présentation des 144 essais ............................................................................ 205
ANNEXE E – Calculs de l’analyse de variance .................................................................... 211
ANNEXE F – Table de Fisher- Snedecor .............................................................................. 216
ANNEXE G – Table du t de Student ..................................................................................... 218
ANNEXE H – Présentation des 144 essais du modèle D = f (C, Qad, T) ............................. 220
ANNEXE I – Table des figures .............................................................................................. 223
ANNEXE J – Table des tableaux ........................................................................................... 228

8
Introduction Générale

Il a été remarqué que la plupart des déclarations de l’état de catastrophes naturelles relèvent
d’aménagements sommaires du réseau hydrographique, voire du domaine de la conception et
de l’entretien des dispositifs d’assainissement pluvial, [Tassin B & al, 2004]. Et pourtant, ces
ouvrages d’assainissement ont été conçus à partir des méthodes de conception préconisées par
l’Instruction technique de 1977 [Ministères, 1977]. Aussi depuis près d’une vingtaine
d’années, une question demeure constante : faut-il ou non renouveler les méthodes de
conception de l’assainissement et donc renouveler l’Instruction technique de 1977 ? [CERTU,
2003].

Question d’autant plus légitime que depuis 1949, l’approche de l’intégration de
l’assainissement dans l’urbanisme et l’environnement a changé autant sur le plan juridique
que technique (confère Loi sur l’eau du 03/01/92, la directive européenne du 21 mai 1991
relative au traitement des eaux résiduaires urbaines, la Loi de décentralisation de 1982). De
plus, l’acquisition des connaissances scientifiques et techniques a permis la mise au point de
méthodes qui mettent l’accent sur la prise en compte des conditions locales. Du fait donc de
cette évolution permanente de connaissances, le [CERTU, 2003] dans son document « La
ville et son assainissement » rappelle qu’il est justifié d’utiliser d’autres modèles si ceux-ci
s’avèrent mieux adaptés au contexte que les modèles généralement proposés. Il ajoute qu’en
ce qui concerne les méthodes de dimensionnement : « […] les méthodes de dimensionnement
recommandées correspondent à des solutions qui sont techniquement et économiquement
réalistes pour résoudre le problème traité dans la majorité des situations et non dans leur
totalité. Il s’agit donc de méthodes à envisager en priorité mais absolument pas de méthodes
à utiliser de façon systématique. »
Aujourd’hui, aucune des méthodes de dimensionnement proposées dans l’Instruction
technique de 1977 ne semble satisfaisante notamment pour les ouvrages de stockage des eaux
pluviales. En effet, dans leur étude d’analyse des caractéristiques « dimensionnantes » des
pluies à l’aide d’un modèle stochastique de pluie [Gaume E & al, 2000] ont montré que les
deux méthodes de dimensionnement proposées dans la circulaire de 1977 (méthode des pluies
et méthodes des volumes) ne donnent pas entièrement satisfaction. Elles semblent conduire
assez souvent à surdimensionner ou à sous-dimensionner les ouvrages. Ils ont utilisé dans
9
cette étude comme méthode de référence la simulation de chacune des pluies d’une série
chronologique à l’aide d’un modèle complet hydrologique et hydraulique, prenant en compte
les pertes initiales de ruissellement, l’effet de laminage du réseau, les singularités présentes
sur les réseaux, les effets de remous éventuels. Cette méthode est par ailleurs, recommandée
par [Chocat B & al, 1997] et [STU, 1983]. Cependant elle est lourde dans sa mise en œuvre et
souvent irréaliste dans la mesure où la plupart des bureaux d’étude ne disposent ni des
modèles hydrologiques urbains capables de simuler en continu à partir de longues chroniques
de pluies ni des compétences d’analyse statistique nécessaires.

Compte tenu de tout ce qui précède, nous avons pris le parti de concevoir un nouvel outil de
dimensionnement des ouvrages de stockage des eaux pluviales pour leurs caractères
fonctionnels, économiques et environnementaux (écrêtement des pointes d’orages, réduction
des dimensions des collecteurs d’évacuation et donc réduction de la facture, revalorisation du
site, etc).

Nous envisageons d’utiliser le concept de pluie de projet qui utilise les courbes IDF
(Intensité-Durée-Fréquence) pour dimensionner les ouvrages de stockage et apporter autant
soit peu des solutions quant aux difficultés que rencontrent les bureaux d’étude à savoir de
disposer à la fois de données pluviométriques et de méthodes robustes de dimensionnement à
la mise en œuvre aisée.

Le présent travail après avoir présenté, au chapitre 1, la situation actuelle des ouvrages de
stockage des eaux pluviales ainsi que leurs méthodes de dimensionnement, aborde, au
chapitre 2, la méthodologie de notre travail puis aboutit, au chapitre 3, à l’application des
méthodes de dimensionnement les plus usuelles. Nous proposons ensuite, au quatrième
chapitre, un nouvel outil de dimensionnement. Nous achevons le présent travail par un test du
nouvel outil de dimensionnement sur un système d’assainissement composé d’ouvrages de
stockage en série et parallèle.

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