Contribution à l'étude du ruissellement urbain en ?· 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 PLAN Préambule…

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    10-Sep-2018

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  • UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNIQUES DU LANGUEDOC

    INSTITUT FRANAIS DE RECHERCHE SCIENTIFIQUE POUR LE

    DEVELOPPEMENT EN COOPERATION (ORSTOM)

    MEMOIRE DE D.E.A.

    CONTRIBUTION A L'ETUDE DU RUISSELLEMENT URBAIN

    EN AFRIQUE DE L'OUEST:

    compatibilit de logiciels d'hydrologie urbaine avec les

    concepts de ruissellement proposs en Afrique de l'Ouest

    Prsent le 20/10/89 par M. NDOYE Issa-Diop

    devant le jury compos de :

    MM. C. BOCQUILLON

    C. BOUVIER

    M.DESBORDES

    J.C. HEMAIN

  • 111111111111111111

    PLAN

    Prambule

    Introduction 1

    1re PARTIE : RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE 2

    Introduction 3

    1. Les modles d'assainissement pluvial 4

    1.1. Modles pluvio mtriques 7a) Gnralits 7b) Modlisation pluviomtrique en Afrique de l'Ouest.. 8

    b1. Pluie de Projet. 8b2. Simulation de chroniques 11

    c) Conclusion 13

    1.2. Modles de ruissellement 14A. Pertes au ruissellement 14

    a) Gnralits 14a.1. Modlisation des pertes 15

    b) Modtisation des pertes: cas de l'Afrique de l'Ouest.................................................................................................................18

    B. Modle de ruissellement. 19a) Gnralits 19

    a.1. Modles conceptuels 20b) Modles utiliss en Afrique de l'Ouest.. 22

    b.1. Modles drivs de la formule rationnelle 22b.2. Modle propos par Desbordes 24b.3. Modles labors par les chercheurs de

    1'0RSTOM 241. Gnralits 242. Dfinition des surfaces de ruissellement.........................................................................................253. Modles de production 264. Remarques sur ces modles 27

  • 111111111111111111

    1.3. Modles d'coulement en rseau 28a) Gnralit.s 28b) Modles de transfert utiliss en Afrique de 'OuesL 29

    - Formule rationnelle 29- Oprateur de Lebarb 29- Modle rservoir linaire 29

    1.4. Conclusion bibliographique 30

    2me PARTIE : PRESENTATION DES LOGICIELS 31

    1. Logiciel M()use 32A. Modle de ruissellement A 32

    1. Hypothses et principes 322. Schma de transfert 32

    B. Modle de ruissellement Niveau B 341. Principes 342. Processus hydrologiques 353 - Processus hydrauliques: Thorie 364. Calculs hydrologiques 39

    Il - Prsentation du logiciel Teresa 40A. Le module de gnration des hyetogrammes de base 40B - Le module de production 40C. Le module de ruissellement 41

    1. Bassins urbains 412. Bassins ruraux 43

    D. Dtermination du p~ramtre K 441. Bassin urbain 442. Bassin rural 44

    E. Module hydraulique 44

    III - Compatibilit : Mouse, Teresa, Modles ORSTOM 481. Modle 1 Niveau 1 48

    a} Mouse 48b} Teresa : 48

    2. Modle 1 Niveau 2 53a) Mouse : 53b) Teresa 53

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    3. Modle 2 Niveau 1 53a) Mouse 53b) Teresa 53

    4. Modle 2 Niveau 2 54a) Mouse 54b) Teresa 54

    5. Utilisation pratique des 2 logiciels 54a) Dfinition des surfaces de ruissellement.. 55

    al. Teresa 56a2. Mouse 56

    b) Schmas de ruissellement et donnes 56bl. Mouse 57b2. Teresa 59

    3me PARTIE : CAS D'APPLICATION 63

    1. Simulations: rsultats 641. Modle 1 Niveau 1 : Ml Nl 65

    a) Mouse 65a.l. Donnes de simulation 65a.2. Production calcule 66a.3. Production simule 66

    b)Teresa 672. Modle 1 Niveau 2: M1N2 69

    a) Mouse 69b) Teresa 69

    3. Modle 2 Niveau 1 70a) Mouse 70b) Teresa 71

    4. Modle 2 Niveau. 2 71a) Mouse 71

    Il. Rsultats : commentaires et remarques 731. Modle 1 73

    a) Mouse (Niveau B) 73b) Teresa 73

    2. Modle 2 , 74a) Mouse (Niveau A) 74b) Teresa 74

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    III. Remarques et conseils pratiques d'utilisation 75A. Modle 1 75

    1. Mouse : utiliser le niveau B 75a) Dfinition des surfaces de ruissellement.. 75b) Production 75c) Transfert 76

    2. Teresa 76a) Surfaces de ruissellement.. 76b) Production 76c) Transfert 76

    B. Modle 2 771. Mouse : utiliser le niveau A de mouse 77

    a) Surfaces de ruissellement.. 77b) Production et transfert 77

    2. Teresa 77a) Surfaces de ruissellement.. 77b) Production et transfert 78

    Conclusion gnrale 79

    Bibliographie 80

    Liste des figures et tableaux 83

    Annexes 84

  • 111111111111111111

    INTRODUCTION

    L'hydre.: gie urbaine est un domaine de recherche relativement rcenten Afrique d~ l'Ouest. Par le pass, on s'est content d'utiliser et d'appliquerles concepts ~! mthodes d'assainissement pluvial mis au point dans les payseuropens. CS concepts et mthodes ont t la base de l'laboration desoutils oprat.:nnels d'assainissement pluvial.

    Les rec-:erches menes dans le domaine de l'hydrologie urbaine enAfrique de 'Ouest (Lebarb et Bouvier au Burkina Faso et au Niger,Sighomnou n Cte d'Ivoire) ont montr l'inadquation des conceptsclassiques c' -:ydrologie urbaine (la formule rationnelle et ses drivs) dans lecontexte urb~;n ouest-africain.

    \1 imper:e ds lors de rechercher les voies et moyens d'utilisation desoutils opr:ionnels d'assainissement pluvial en tenant compte desspcificits cu milieu urbain ouest-africain. Notre mmoire de recherches'inscrit dans cette perspective.

    La pre,-:ire partie est consacre l'tude bibliographique concernantles modles j'assainissement pluvial et leur application en Afrique de l'Ouest.

    La sec~nde partie dveloppe une tude de l'utilisation de 2 logicielsd'hydrologie urbaine Mouse et Teresa et une rflexion sur la compatibilit deces logiciels avec les concepts proposs pour l'Afrique de l'Ouest.

    Dans la troisime et dernire partie, nous avons vrifi l'utilisabilit deces logiciels en traitant d'un cas particulier d'un bassin urbain de la ville deNiamey au Niger.

    1

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    PREAMBULE

    Mes remerciements vont tout d'abord M. Jaccon, responsable duLaboratoire d'Hydrologie de l'OR8TOM de m'y avoir accept commestagiaire.

    Je remercie sincrement M. C. Bouvier de m'avoir encadr, conseill etencourag pendant toute la dure de mon stage.

    Je remercie galement la plupart des chercheurs du laboratoire o j'aitrouv de bonnes conditions de travail et une atmosphre chaleureuse.

    Mes remerciements vont aussi aux chercheurs du L.H.M. qui ont bienfacilit mon travail de traitement avec les logiciels Mouse et Teresa.

    Je remercie M. Bocquillon d'avoir bien voulu prsider ce jury, et MM.Desbordes M. et Hemain J.C. d'avoir bien voulu en faire partie.

    2

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    1re PARTIE

    RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE

    2

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    INTRODUCTION

    Dans notre rapport bibliographique, nous nous proposons de prsenterl'tat de l'art, de manire synthtique dans le domaine de l'assainissementpluvial, en Afrique de l'Ouest.

    Nous y traitons successivement des modles pluviomtriques, desmodles de ruissellement et des modles d'coulement dans les rseaux.

    En ce qui concerne les modles pluviomtriques, nous faisons le pointsur les modles les plus utiliss : les modles de pluie ponctuelle, lesmodles de pluie de projet et les modles de distributions spatiales.

    En second lieu, nous avons expos les principes d'laboration desmodles de ruissellement aprs avoir trait des modles de pertes auruissellement. Nous terminerons cette partie consacre au ruissellement parles modles utiliss en Afrique de l'Ouest.

    La partie consacre aux modles d'coulement dans les rseauxconclut notre rapport bibliographique.

    Nous n'avons pas dvelopp dans ce rapport les bases thoriques desdiffrents modles cits. Les rfrences bibliographiques donnes en annexecomblent cette lacune. Le lecteur intress pourra les consulter avec profit.

    3

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    1. LES MODELES D'ASSAINISSEMENT PLUVIAL

    Les phnomnes hydrologiques (pluie, ruissellement) et hydrauliques(coulement dans les rseaux) sont complexes en milieu urbain. En effet, cesphnomnes prsentent une trs grande variabilit spatio-temporelle et sontsouvent d'occurrence alatoire.

    On conoit ds lors que seule une analyse fine spatio-temporelle desphnomnes hydrologiques et hydrauliques puisse permettre de proposerdes solutions judicieuses aux problmes poss par l'assainissement pluvial.De ce constat, est ne en hydrologie urbaine la simulation de cesphnomnes (modles) dont l'approche peut tre phys.ique, analogique oumathmatique, voire empirique.

    Ainsi ont t mis au point de nombreux modles dcrivant les diversescomposantes du cycle de l'eau en milieu urbain. L'agencement de rnpdles(ou modules) simulant la pluie, le ruissellement superficiel et l'coulementdans les rseaux de drainage a conduit la notion de modled'assainissement (voir Fig. 1 et 2) qui apparat comme ecun systmed'organisation et de commande des oprations de simulation ralises pardes modles spars. La mise en uvre des modles ncessite alors lechoix d'un pas d'espace et de temps qui peut tre variable selon les castudis et l'approche des phnomnes. C'est ce qui explique la profusiondes modles d'assainissement rencontrs dans la littrature dont lesdiffrences rsident dans le niveau d'analyse spatio-temporelle et/ou lesapproches (((coles).

    La structure des modles d'assainissement pluvial utiliss en Afrique del'Ouest est la mme que pour ceux mis au point en Europe mais l'laborationdes modles pluviomtriques, d'coulement superficiel et de propagationdans les rseaux se heurte plusieurs problmes lis l'tat actuel de larecherche dans ces diffrents domaines dans le contexte urbain ouest-africain.

    Nous prsenterons successivement en nous rfrant la figure 1 : lesmodles pluviomtriques, les modles de ruissellement superficiel et enfin lesmodles d'coulement dans les rseaux.

    4

  • 5

    HYDROLOGIE

    HYDRAULIQUE

    ~

    RUISSELLEMENT

    PHENOMENESPLUVIOtTRIQUES

    ECOULEMENT EN RESEAU

    Fil:rure ~ - Organisation gnrale des modlesd 1 assainissement

    ( DE~OROeS ) 1984 )

    111111111111111111

  • 1PLUIE El tllI fOIIIT

    l( m.1O. aI7l'1)

    - lID. 10 : COOrdOllllfts du polIR('plceaue de l'once 011 autre) --tlSORTIES 1

    - Ml : pu de temps de cUtWtlO1l

    11- PWIE tllII~

    2 - CHIlO:IOLOCIE DE PWIES

    11

    1DOlItfEESl--I-~

    l - DISTIlIBJ'l'IOIt SPAorUI.E STA'l'IQIJE

    2 - nm.tlEl'lCES 00 RELIEF

    3 - DE:PLACEMEI'IT DES AVERSES

    1 (IIID". 1IIDy1' aM'2)~. lIIDyl pas d' esp.ee

    aM'2 pILS de tempa

    B

    ---1 SORTIES 1

    c

    rl SORTIIS \1Dt11tratl~

    ~1 e : p1l11e efflcace ou Dette

    2 - SOIS PERMEABLES(pertes Wt1ales.etc )

    1 e(~. aDT2 DDT3)

    PERTES AU llUISSELIDOT

    l - SOIS IMPERMEABLES(pertes 1111t1ales)

    111

    111

    RtIISSEL1DNT

    l '7' SOIS PE1lMEABLES OU BASS1JIS BllRAUX

    1DONNEES~ 2 - SOIS IMPEIlMEABLES OU BASSIlfS URBAmSQrl(Xl. Yl. a DT4)

    Qr1 : Jl:ydrograJllllle de nssellelllettt

    xl. Yl : lDcallsatioa de Qrl

    o

    4 S0RTItS 1

    1 '.1 l - ISEAUX llAMIYIES

    E

    12 - ISEAUX MAILLES

    3 - PIlOPAGATIOIt A SllRFACl: LIBRE

    4 - PIlOPAG:.TIOIt EI'I CIIAllGE

    11DONNEES I----~ 5 - JONCT:ONS DE COLI.EC':'EllRS

    OU NOEUDS DE RESEAU

    6 - OUVRAGES SPECIAUX0.5.1. 0.S.2 O.S.a

    H SORTIES 1

    111

    7 - ECOUIDNTS ANNEXES

    \

    temps sec. ra1Dage, 1ajectioad' hydrogr8lllllleS, dbordemen'ts,ete...

    Qj(Xj' Y.l.n M"5)

    1 SORTIES - P.ES'JL':':'':'S I,... .......,j

    1 Str~cture gnrale des moales d'assainissement(~bord~ .IQiM)6

  • 111111111111111111

    1.1. MODELES PLUVIOMETRIQUES

    a) Gnralits

    La pluie est un phnomne alatoire dans le temps et spatialementdistribu, c'est ce qui explique l'approche souvent probabiliste quant "laboration des modles pluviomtriques. Classiquement la plupart desmodles pluviomtriques sont regroups en trois grandes classes : lesmodles ponctuels, les modles de pluie de projet et les modlesprobabilistes. Par rapport notre sujet d'tude et l'objectif de reconstitutiondes quantiles de dbit, nous considrerons deux types de roodlespluviomtriques :

    Le modle de pluie de projet d'une part et la simulation de chroniquesde dbit qui ont fait l'objet de recherches dans le contexte ouest-africain.

    - Pluies de Projet :

    Les modles de pluie de projet sont labors partir de l'analyse desobservations pluviomtriques influenant de manire prpondrantel'coulement et auxquelles on peut rattacher une probabilit d'occurrence. Cesont donc des hyetogrammes synthtiques qui servent d'entre aux modlesde ruissellement. De nombreux chercheurs ont laiss leur nom aux modlesde pluie de projet qu'ils ont proposs (Keifer, Normand, Desbordes, etc.) etqui diffrent par leur approche des caractristiques de la pluie les plusmarquantes en regard du ruissellement. Nous dvelopperons par la suitequelques aspects des modles de pluie de projet tests en Afrique del'Ouest : le modle de pluie de Projet "Desbordes" et les courbes Intensit-Dure-Frquence souvent associs aux modles rationnels.

    L'avantage principal de la pluie de projet rside dans le fait qu'il s'agitd'un vnement synthtique. L'inconvnient particulier du modle de pluie deprojet est la difficult rattacher une probabilit fiable de dbit uneprobabilit de pluie.

    - Simulation de chroniques de dbit

    La mesur pluviomtrique -et/ou pluviographique permet de dcrir-e lastatistique de la pluie ou une station donne ou sur une rgionclimatiquement homogne. Ces chroniques de pluie permettent ainsi desimuler des chroniques de dbit. L'avantage de ces simulations est le calculdirect des probabilits de dbit qui est une donne essentielle pour laralisation d'ouvrages d'assainissement pluvial. La simulation deschroniques de dbit se heurte souvent, et c'est l son principal inconvnient.

    7

  • b) Modlisation pluviomtrique en Afrique de l'Ouest

    l'absence de donnes pluviomtriques locales et la lourdeur du traitementdes donnes.

    4 h temps

    8

    i 15' il 1 h,.

    1,,1

    11,,

    intensit moyenne maximale: frquence: dure de l'intervalle de temps

    t (DM)

    l.M.M.FT

    iltl

    Fig. 3: Pluie de projet type Desbordes

    (DM est ici reprsente par la dure 15' 1 hl

    (Sighomnou. 1988)

    avec

    b1. Pluie de Projet

    - Courbes Intensit-Dure-FrquenceCe sont des modles probabilistes empiriques liant l'intensit

    moyenne maximale de la pluie brute avec la frquence et la dure del'intervalle de temps considre. Nous donnons titre d'exemple la formuleanalytique de Montana (1) :

    I.M.M (T,F) = a (F) . Tb(F) (1 )

    Les travaux raliss dans ce domaine en Afrique de l'Ouest concernentprincipalement la pluie de projet et la simulation de chroniques de dbits.

    111111111111111111

  • '50 +---11-------...,

    240To"",.I....)

    20 40 60 8Q 100Temps cumul en %

    80+--+----!~iI...j,q..:

    .80

    100,-.---_-.---_.,....-_,....-........,,_c

    c::50+--+--f---Hu.:!!!::>

    540+-_+------,~

    i20 t-1 ~~~~'I--+---:--~

    '20

    '0

    o20 40 50 80 100 0

    Temps cumul enolo

    b100 -.---_.---_,.........".,...--.....".._"",._

    ...e 8 0 +-----!----!-h4-~(

    CI> 60 i--r---H'J.'rH-T-+---t---+:!!!::>E~ 40 i--'-ft"'f:'HI1If---.......J...--+

    "li>":;i: 20+---h~f-if-----..----r---+

    9

    50+---1

    '00+--__1DM,: 30"'"T~5.t'8

    -~- -,

    Fig.4: Exemple de pluie de projet ..1/4 avant.. Adiopodoum

    (Sighomnou, 1988)

    Fig. 5 .a, b, C : Distribution des volumes prcipits en fonction du temps Adiopodoum

    (Sighomnou, 1988)

    a, b : paramtres dpendant du lieu, de la longueur de sries d'observations,du mode de .dpouillement adopt des pluviogrammes et de l'intervalle detemps T.

    De nombreuses relations empiriques analogues celles de Montana ontt tablies. Certaines ont t amliores par une approche rationnelle desdistributions statistiques de certaines caractristiques de la pluie auxquelleson a ajust des fonctions de distributions de probabilit. La plupart desfonctions utilises ont un comportement asymptotique de type exponentiel(lois log-normal 3 paramtres, lois exponentielles. voire lois de valeursextrmes type Gumbel).

    111111111111111111

  • 111111111111111111

    L'quation (2) donne la forme gnra~s lois exponentielles :F (IMM, T) = 1 - e-a(T) [ IMM , T -lo(T)]" (t) (2)

    a et n sont les paramtres de la loi, T : la dure de l'intervalle de temps, F :...

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