Protection Melhouse Contre Crue Centenale

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PROJET D’ECRETEMENT DE L’ILL

PROTECTION DE LA VILLE DE MULHOUSE CONTRE LA CRUE CENTENNALE

MEMOIRE DE FIN D’ETUDE PRESENTE EN VUE DE L’OBTENTION D’UN DIPLOME D’INGENIEUR DE L’ECOLE NATIONALE DE

GENIE DE L’EAU ET DE L’ENVIRONNEMENT DE STRASBOURG

Présenté par : Ange Marina ANDRIAMBANONA Promotion INDRE Encadrement : Nicolas KREIS Lieu : Conseil Général du Haut Rhin Juillet 2009

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Projet d’écrêtement de l’Ill Ange Marina ANDRIAMBANONA ENGEES 2009

Remerciement

Je tiens à remercier les personnes suivantes pour leurs soutiens et leurs aides apportés pendant la réalisation de ce stage de fin d’étude :

M. Nicolas KREIS, chef du Service Aménagement des Rivières et mon encadrant tout au long du stage ;

M. Georges WALTER, directeur de l’environnement et du cadre de vie ;

Mlle Olivia GHAZARIAN, adjoint au chef du Service Aménagement des Rivières ;

M. Gregory EHRET, Mme Karine WINKELMULLER et Mme Caroline SCHMITT, les techniciens du service rivières ;

M. Sylvain PAYRAUDEAU, maître de conférences au laboratoire CEVH de l’ENGEES et mon tuteur ;

L’ensemble de personnels de la direction de l’environnement et du cadre de vie du Conseil Général du Haut Rhin.

Mlle Pauline DURAND et M. Louis MARANT, deux stagiaires de l’ENGEES au Conseil Général pendant la même période de stage.

Toute ma famille et tous mes amis.

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Résumé

Projet d’écrêtement des crues de l’Ill à Mulhouse

L’inondation est une des catastrophes naturelles qui présente tous les ans des importants dommages et les réparations coûtent de plus en plus chères dans le monde ainsi qu’en France.

La Ville de Mulhouse est une commune au Département du Haut Rhin, elle est traversée par l’Ill dont un grand tronçon coule dans un Canal de Décharge en partie couvert. Ce canal limite la capacité d’évacuation des crues et sa position topographique est plus haute que celle du centre ville. De ce fait, la ville pourrait être envahie par une grande crue avec un risque de débordement catastrophique. C’est pourquoi le Syndicat Mixte de l’Ill et le Conseil Général du Haut Rhin comptent investir un grand financement dans un projet qui permettra d’écrêter la crue de l’Ill à l’amont de la Ville de Mulhouse vers le Canal du Rhône au Rhin.

L’objectif de cette étude est d’effectuer le diagnostic de la ville de Mulhouse en cas de passage d’une crue avec une période de retour 100 ans et de dimensionner le nouveau chenal qui reliera l’Ill avec le canal du Rhône au Rhin pendant le déversement. L’étude est basée sur un modèle hydraulique correspondant à la ville de Mulhouse, et la simulation avec une crue centennale permet de décrire l’état de la commune pour une crue centennale de l’Ill, de localiser les débordements qui submergent la commune et de déterminer les débits à évacuer pour supprimer ces débordements.

Des études hydrauliques ont déjà été faites au niveau du Canal du Rhône au Rhin et le Bief de Niffer. Les études montrent la capacité de recevoir un débit de 30m3/s supplémentaire de l’Ill pour une durée environ quatre heures.

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Abstract

Peak flow reduction project for Ill river in Mulhouse

Flood is a natural disaster creating damage every year, Its relating cost are more and more expensive in the world as well as in France.

Mulhouse is a city belonging to “department du Haut Rhin”. Ill river flows in the center of Mulhouse, and a large part of it pours into a covered channel discharge. This channel has limited capacity which can become an issue in a flood time. Its topographic position is higher than that the center of the city. In fact, overflowing would be catastrophic if a major flood event passes in the river. That’s why “Syndicat Mixte de l’Ill” and “Conseil Général du Haut Rhin” cooperate and invest in a project to reduce the discharge in Ill before entering at Mulhouse. The project is to divert, flow, the peak of Ill river and to pour it into “Canal du Rhône au Rhin”, neighboring channel.

The object of this report is to establish the diagnostic of Mulhouse when 100 years return flow occurs, and to size a new channel which connects with “canal du Rhône au Rhin”. The research is based on hydraulic model corresponding Mulhouse. Simulation of centennial flow allows describing the state of Mulhouse during a flood, to locating overflowing, and to determinate the discharge entering in the channel to avoide this overflowing.

Some hydraulic studies have already shown that “Canal du Rhône au Rhin” and “Bief de Niffer” can receive 30 more cubic meters per second during 4 hours.

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Sommaire

Remerciement ........................................................................................................................1 Résumé ..................................................................................................................................3 Abstract ..................................................................................................................................5 Sommaire ...............................................................................................................................6 Liste des figures .....................................................................................................................8 Liste des tableaux ...................................................................................................................8 Liste des Abréviations ............................................................................................................9 Liste des glossaires .................................................................................................................9 Introduction .......................................................................................................................... 11 Partie I Contexte de l’étude ........................................................................................ 13 1) Contexte global ............................................................................................................. 13

1.1)Inondations en France .......................................................................................... 13 1.2)Conseil Général du Haut Rhin .............................................................................. 14 1.3)Les syndicats de rivière ........................................................................................ 15

2) Mulhouse ...................................................................................................................... 15 2.1)Inondation pour la ville de Mulhouse : ................................................................. 16 2.2)Moyens de lutte contre l’inondation ..................................................................... 17

3) Problématique ............................................................................................................... 18 3.1)Caractéristique des rivières .................................................................................. 19 3.1.1)Caractéristique de l’Ill ....................................................................................... 19 3.1.2)Caractéristique de la Doller ............................................................................... 20

3.2) Caractéristique du canal couvert ................................................................................. 20 4) Objectif de l’étude ........................................................................................................ 21 Partie II Analyse hydrologique ................................................................................... 23 1) Présentation de PRETHY .............................................................................................. 23 2) Données disponibles : ................................................................................................... 24 3) Méthodologie :.............................................................................................................. 25 3.1)Principe .......................................................................................................................... 25

3.1.1)Durée d’échantillonnage ................................................................................... 25 3.1.2)Débits de seuils et débits moyens ...................................................................... 26 3.1.3)Débits de pointe ................................................................................................ 27

3.2) Résultats et discussion : ............................................................................................. 27 3.2.1)Les débits ......................................................................................................... 28 3.2.2)Les hydrogrammes ........................................................................................... 29

4) Construction des hydrogrammes de crues...................................................................... 30 Partie III Etude hydraulique .......................................................................................... 32 1) Données disponibles : ................................................................................................... 32

1.1)Données topographiques ...................................................................................... 32 1.2)Conditions aux limites ......................................................................................... 33

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2) Méthodologie :.............................................................................................................. 34 2.1) Présentation des logiciels ........................................................................................... 34

2.1.1)ArcMAP : ........................................................................................................ 34 2.1.2)HEC – RAS :.................................................................................................... 35 2.1.3)Couplage ArcGIS et HEC – RAS ..................................................................... 35

3) Construction du modèle ................................................................................................ 36 3.1) Les profils .................................................................................................................. 37 3.2) Le canal couvert ......................................................................................................... 38 4) Simulation .................................................................................................................... 39 5) Calage et validation ...................................................................................................... 40 6) Apport de la modélisation pour le diagnostic du risque ................................................. 41 6.1) Crue centennale dans l’Ill ........................................................................................... 42 6.2) Crue centennale dans la l’Ill et dans la Doller ............................................................. 43 7) Répartition de l’eau ....................................................................................................... 44 8) Valorisation de la modélisation sur le dimensionnement des ouvrages .......................... 46 Partie IV Dimensionnement des ouvrages de Génie civil ................................. 47 1) Le choix du projet ......................................................................................................... 47 2) Objectifs et contraintes du projet ................................................................................... 47 2.1) Objectifs .................................................................................................................... 47 2.2) Contraintes................................................................................................................. 48 3) Les études préalables .................................................................................................... 48 3.1) Le Canal du Rhône au Rhin ....................................................................................... 48 3.2) Le Bief de Niffer ........................................................................................................ 49 4) Etudes des variantes ...................................................................................................... 50 4.1) Dimensionnement de la largeur du chenal .................................................................. 51 4.2) Positions de chaque variante ...................................................................................... 52 4.3) Dimensionnement du dissipateur d’énergie ................................................................ 53 4.4) Dimensionnement du parafouille ................................................................................ 53 4.5) Estimations de prix .................................................................................................... 54 4.6) Autre critères ............................................................................................................. 55 5) Analyse multicritère ...................................................................................................... 56 Conclusion ........................................................................................................................... 57 Bibliographie ........................................................................................................................ 59 Annexe ................................................................................................................................. 61

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Liste des figures

Figure 1: Situation géographique du département (source CG68) .......................................... 14 Figure 2: Situation de la station de Didenheim ...................................................................... 16 Figure 3: Effet de foehn sur un massif montagneux .............................................................. 18 Figure 4 : Situation géographique des rivières....................................................................... 19 Figure 5: Vue en plan du canal couvert à Mulhouse .............................................................. 21 Figure 6: Interface du logiciel PRETHY ............................................................................... 24 Figure 7: choix de durée d'échantillonnage selon PRETHY .................................................. 26 Figure 8: graphe pour estimation des débits de seuil et débits moyens dans PRETHY (source

Manuel PRETHY) ........................................................................................................ 27 Figure 9 : Quantile débit – durée – fréquence de l’Ill ............................................................ 29 Figure 10 : Les hydrogrammes moyens normés de l'Ill et de la Doller ................................... 30 Figure 11: Les hydrogrammes des crues centennales ............................................................ 30 Figure 12: Couche ombrage d'une couche MNT ................................................................... 33 Figure 13 : Vue en plan du tracé des profils dans ArcGIS et dans HEC – RAS ..................... 38 Figure 14: Différence de hauteur d'eau entre buse et pont. .................................................... 39 Figure 15 : Calage de hauteur d'eau à l’entrée du canal couvert. ............................................ 41 Figure 16: Localisation de débordement vers la ville de Mulhouse........................................ 42 Figure 17: Zones inondées après extrapolations de ArcGIS ................................................... 43 Figure 18 : Différence de hauteur d'eau dans l’Ill entre les deux scénarios de crues............... 44 Figure 19: les zones les plus touchées de la ville de Mulhouse .............................................. 46 Figure 20: Différence de hauteur d'eau avant et après la prise effectuée par le chenal ............ 46 Figure 21: les différentes canalisations voisines de l'Ill (source HYDRATEC) ...................... 49 Figure 22: Tracé du nouveau chenal vers le canal du Rhône au Rhin .................................... 50 Figure 23 : Tracé du chenal avec les talus (gauche) et chenal en mur (droite). ....................... 52 Figure 24: Sens de l'écoulement souterrain ........................................................................... 54 Figure 25: Profil en long du seuil .......................................................................................... 54 Figure 26: classement des variantes ...................................................................................... 56

Liste des tableaux

Tableau 1: Débits estimés pour la Doller (m3/s) .................................................................... 28 Tableau 2: Débits estimés pour l'Ill (m3/s)............................................................................. 28 Tableau 3: Estimation des prix entre les deux types de chenal ............................................... 55 Tableau 4: tableau de performance ....................................................................................... 56

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Liste des Abréviations

2D : bidimensionnel ArcMAP :

ArcGIS : CG68 : Conseil Général du Haut Rhin

ESRI : Hydrologic Engineering Center – River Analysis System HEC – RAS :

HSMF : Hydrogramme Synthétique Mono Fréquence MNS : Modèle Numérique de Surfaces

MNT : Modèle Numérique de Terrains PRETHY : PRogramme d’Echantillonnage et de Traitements Hydrologiques

QdF : Débit – Durée – Fréquence SAR : Service Aménagement de Rivière

SIG : Système d’Information Géographique SNCF : Service National de Chemin de Fer

TIN : Triangular Irregular Network T.V.A : Taux des Valeurs Ajoutées

Liste des glossaires Crue : la montée de débit de l’eau dans la rivière. Crue de projet : crue de période de retour donnée pour faire l’étude du projet.

Lit majeur : les zones situées sur les deux côtés du lit mineur, elles sont limitées par les berges.

Lit mineur : le lit principal de l’écoulement dans la rivière. Régime permanent : écoulement dont le débit reste constant dans le temps.

Régime transitoire : écoulement dont le débit varie dans le temps. Période de retour : Intervalle de temps probable pour l’occurrence d’une crue

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Introduction

Le risque d’inondation fait partie des risques naturels majeurs dans le monde. En France, quelques inondations sont connues comme graves ces dernières années qui sont généralement causées par des pluies de longues durées et souvent suivies de fonte de neiges. Particulièrement à Mulhouse la dernière crue remarquable est celle du 09 Août 2007 qui a entraîné quelques dégâts aux niveaux des infrastructures publiques.

Le département du Haut Rhin qui est une collectivité territoriale détient des compétences dans de nombreux domaines qui sont les domaines sociaux, éducations, routières et autres avec ses propres budgets et ses propres personnels. Le Conseil Général a engagé une politique volontariste d’aménagement des rivières et de protection contre les crues. L’objectif est d’assurer la sécurité des personnes et des biens jusqu’à des crues centennales tout en préservant ou en restaurant un fonctionnement écologique des hydro-systèmes. Au sein de la « Direction de l’Environnement et du cadre de Vie », le « Service Aménagement des Rivières » est spécialisé dans la programmation et le suivi des travaux en rivière pour le compte des syndicats de rivières. A travers ce service, le Département souhaite assurer une gestion cohérente et concertée en matière d’aménagement hydraulique et de gestion des rivières dans le Haut-Rhin.

La ville de Mulhouse est une ville importante du département de Haut Rhin. Elle est la ville la plus peuplée du département et présente un important centre économique. Ce sont pour ces raisons que le Conseil Général et le syndicat mixte de l’Ill investissent un financement important pour la protection de la ville contre l’inondation.

La ville est traversée par l’Ill, une grande rivière qui possède un bassin versant de 656 Km². Au centre ville, la rivière coule dans un canal couvert de 670m de longueur. Ce tronçon de cours d’eau a de fait une capacité d’évacuation limitée et sa position topographique plus haute que le centre ville rendrait tout débordement catastrophique. C’est pour cela qu’un projet d’écrêtement de l’Ill en grande crue vers des canaux voisins, en amont de la ville de Mulhouse est à l’étude.

Ce projet consiste à étudier le fonctionnement de la rivière et les canaux dérivés qui sont le canal de Rhône au Rhin et le bief de Niffer, permettant l’écrêtement. Des études ont été déjà faites par des bureaux d’études, concernant la capacité hydraulique de ces canaux à effectuer la décharge de ces crues. Pendant le stage, le fonctionnement de l’Ill sera traité ainsi que la conception du nouveau canal qui reliera l’Ill avec les canaux voisins.

L’étude est divisée en deux étapes complémentaires. En premier lieu, des études hydrauliques permettant de décrire le fonctionnement de l’Ill en utilisant le logiciel de modélisation HEC – RAS et ensuite par l’étude des ouvrages de génie civil nécessaire au nouveau projet. Le travail de modélisation a pour objectif d’avoir un modèle complet du fonctionnement de l’Ill, du dispositif d’écrêtement de crues et du Canal du Rhône au Rhin. Cette étude permettra au département de lancer les appels d’offre aux entreprises pour la réalisation du projet.

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Partie I Contexte de l’étude

1) Contexte global

Une inondation est la submersion de zone, qui est habituellement hors d’eau. L’inondation est soit due par la remontée da la nappe souterraine, soit par débordement de cours d’eau dans sont lit mineur en grande crue, soit par la non-évacuation des pluies intense de longue durée.

Les crues font partie du fonctionnement naturel d’un cours d’eau, elles peuvent être différentes d’une année à l’autre mais n’entraînent pas forcement des inondations ou du moins des grandes catastrophes. En effet l’ampleur des inondations arrive de façon périodique et dépend de conditions météorologiques. Les crues se produisent en général suite à une forte pluie de longue durée ou d’une fonte de neige après sa saturation durant la pluie.

Les inondations sont parties de risque naturel qui touche régulièrement une majorité de surface de la terre sur le monde entier. Les dommages causés semblent s’aggraver au fur à mesure du temps. Ces dernières années, le nombre de crues fortes dans le monde augmente car la formation des crues est liée aux conditions météorologiques ainsi qu’au phénomène de réchauffement de la planète. En conséquence ce sont les impacts à l’inondation qui représentent des dangers importants dans le monde. En Europe et en France, les dommages occasionnés par l’inondation sont de plus en plus lourds à supporter pour l’économie du pays.

1.1) Inondations en France

La France est sensible au risque d’inondation avec la présence de 160 000 Km de rivière, la surface inondable est aux alentours de 22 000 Km² et environ 15 700 communes regroupant plus de 2 000 000 habitants sont à risque tous les ans. En effet sur le territoire français, le coût de réhabilitation après le passage des inondations représente 80% des coûts des risques naturels, ce qui explique que l’inondation fasse partie des risques majeurs pour le pays.

Les activités humaines sont aussi des facteurs qui sont responsable de l’importance de la quantité des crues, l’imperméabilisation des sols, le drainage agricole, la disparition des prairies et des haies ainsi que les constructions neuves sur des zones inondables sont souvent désignés comme facteur aggravant des crues. Ces pratiques accélèrent le transit de l’eau et donc la formation de débit. Le débit produit augmente et ce débit est à évacuer avec une durée qui est de plus en plus courte. Les crues courantes sont souvent aggravées par ce phénomène de transit rapide d’eau jusqu’à l’atteinte du débit maximal dans la rivière. Ainsi les grandes crues sont engendrées par des épisodes pluvieux qui durent

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plusieurs heures et mêmes plusieurs jours, quand la capacité de rétention du sol n’est plus suffisante.

1.2) Conseil Général du Haut Rhin

Le département du Haut Rhin se situe au Nord Est de la France, il est délimité à l’Ouest par les Vosges et à l’Est par le Rhin. Son réseau hydrographique est important avec environ 9000 km de cours d’eau, dont 700 km de rivières principales. On peut classer les rivières du département en trois catégories :

- les cours d’eau de moyenne montagne sont l’ensemble des torrents et rivières s’écoulant dans les Vosges ;

- les cours d’eau de plaine drainent la plaine d’Alsace. La principale rivière de plaine du Haut-Rhin est l’Ill qui s’écoule du sud vers le nord avant de rejoindre le Rhin dans le département du Bas-Rhin.

- Les cours d’eau du Sundgau, situés dans le Sud du département

Figure 1: Situation géographique du département (source CG68)

Le Département du Haut-Rhin est doté de moyens et de compétences, touchant aux aspects de la vie quotidienne des citoyens. Les programmes d’actions adoptés par le Conseil Général et mis en œuvre par ses services permettent au Département d’offrir une meilleure qualité de vie à la population. Ses missions dans les domaines de l’environnement et du cadre de vie concernent la gestion de l’eau de la source à la rivière, la préservation de l’environnement et l’amélioration du cadre de vie, il favorise une agriculture respectueuse de l’environnement et du consommateur, et est responsable du plan départemental d’élimination et de valorisation des déchets.

Le service aménagement des rivières (SAR) du Conseil Général du Haut-Rhin a été créé en 1999. Il gère l’ensemble des cours d’eau du Haut-Rhin ainsi que onze barrages situés dans les Vosges dont la capacité varie de 0,5 à 12 millions de m3. (Source Conseil Général du Haut Rhin)

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Le service surveille l’ensemble du réseau hydrographique, assiste les syndicats mixtes dans les choix techniques, gère administrativement ces structures et réalise une partie de la maîtrise d’œuvre et des travaux. Il est composé d’une équipe de six ingénieurs et de huit techniciens et il est doté d’un parc de matériels comportant sept conducteurs d’engins qui pouvant intervenir 24h/24 en cas de crue.

1.3) Les syndicats de rivière

En matière de rivières, le Département du Haut-Rhin a la particularité d’entretenir 800 km de cours d’eau grâce aux syndicats de rivières. Quinze Syndicats Mixtes d’Aménagement de Rivières existent dans le Haut-Rhin, auxquels adhèrent à la fois des communes et le Département ainsi que le Syndicat mixte de l’Ill.

L’intérêt de ces syndicats de rivières pour le Conseil Général est non négligeable, ils lui permettent de mener une politique globale et cohérente sur l’ensemble du département. Afin de pouvoir gérer les travaux plus facilement et d’assurer un suivi des berges, les Syndicats Mixtes font des acquisitions foncières le long des rivières. Le syndicat achète les parcelles soit entières, soit une largeur de 10 m le long du cours d’eau permettant l’accès aux engins. Les syndicats mixtes peuvent bénéficier d’une subvention à hauteur de 40 à 70% du Département du Haut-Rhin et peuvent récupérer la T.V.A.

2) Mulhouse

La ville de Mulhouse se trouve au Sud du département de Haut Rhin de la région d’Alsace. Elle est la communauté urbaine la plus importante du département du Haut Rhin. Son pôle économique et industriel est très développé, car elle s’ouvre vers l’Europe via l’Allemagne et la Suisse.

Etymologiquement, Le nom Mulhouse est l'adaptation française du nom Mülhausen en allemand, (Mühl: moulin et Hausen: maison), soit la maison du moulin (source Wikipédia). La ville était organisée en favorisant des canaux dont l’énergie hydraulique servait à faire tourner les moulins à eau.

L’urbanisation a entraîné la disparition de ces canaux dans le temps. Les développements industriel et économique font remplacer ensuite ces canaux par la construction du canal du Rhône au Rhin et du canal de décharge pour l’évacuation des effluents urbains de la ville. La déviation de la grande rivière Ill et la création du canal couvert avaient pour but de récupérer un grand emplacement urbain. Malheureusement, tous ces aménagements contribuent à la perturbation de l’écoulement de l’eau en grande crue et aggravent l’impact de l’inondation dans la ville.

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2.1) Inondation pour la ville de Mulhouse :

La ville de Mulhouse a connu quelques inondations au cours de ce dernier siècle, des crues exceptionnelles dont certaines sont catastrophiques ont eu beaucoup d’impact sur le point de vue économique. Les grandes crues restent en mémoire pour la société, plus par le fait qu’elles ont généré beaucoup de dégâts que par les valeurs des hauteurs d’eaux et de débits.

Historiquement, une importante crue s’est produite en 1947 dans la ville de Mulhouse. La valeur du débit était estimée aux alentours de 280m3/s [4] dans le lit mineur de l’Ill, cette valeur est estimée de la station de mesure à Didenheim. Pour la même année, la Doller avait aussi connu une crue remarquable dont le débit n’était pas déterminé. Pour l’Ill, ce débit est considéré comme un débit de crue centennale, qui a gravement inondé les deux villes à Didenheim et à Brunstatt qui se trouvent en amont da la ville de Mulhouse ainsi que la ville elle-même. Les dégâts entraînés étaient importants et coûteux pour la commune.

La dernière crue remarquable connue par la ville est celle du 09 août 2007, la ville n’était pas inondée mais le niveau de l’eau dans la rivière était au bord des rives, avec un débit maximal de 230m3/s, débit enregistré au niveau de la station de Didenheim. Durant cette crue, il n’y avait pas de débordement dans la ville de Mulhouse mais tous les ouvrages étaient presque en charge, par contre les deux communes en amont présentaient quelques centimètres de hauteurs d’eau [14].

Figure 2: Situation de la station de Didenheim

Le Syndicat Mixte de l’Ill et le Conseil Général du Haut Rhin ont lancé un programme de protection contre les inondations pour ces auxiliaires comme à l’amont de la ville de Mulhouse, il est basé sur :

Station de Didenheim

Ville de Mulhouse

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- des protections rapprochées des habitations ;

- l’aménagement des routes (passages à gué, ouvrages cadres) ;

- le renforcement de digues existantes ;

- l’aménagement de bassins de rétention de crue à l’amont en compensation des zones protégées.

Les études effectuées pendant ce stage font partie des projets en cours du Syndicat Mixte de l’Ill et du Conseil Général du Haut Rhin, il s’agit de créer un nouveau canal de décharge en amont de la ville afin de pouvoir écrêter les débits des crues centennales. Ceci a pour objectif de protéger la ville de Mulhouse contre l’inondation en cas de passage d’une grande crue. Ce projet a pour objet de faire déverser une partie du débit de l’Ill, en amont de la ville, soit en amont du canal couvert, à partir duquel la rivière commence à déborder vers la ville. Ainsi, il est nécessaire de produire une étude hydraulique apportant la preuve de l’efficacité du projet et des mesures compensatoires proposées.

Des études préalables hydrauliques concernant le diagnostic ont déjà été effectuées par des bureaux d’études. Elles portent sur le fonctionnement des autres canaux qui vont recevoir les eaux déversées de l’Ill. Les études ne sont pas assez détaillées pour permettre le dimensionnement précis des ouvrages à mettre en place ainsi que les dimensions du nouveau chenal de décharge. Le choix des scénarios de gestion et le dimensionnement précis des ouvrages restent à réaliser. Les principes et les méthodes sont détaillés dans les autres parties du mémoire.

2.2) Moyens de lutte contre l’inondation

Deux zones à Mulhouse sont exposées aux risques d’inondation :

- la zone de confluence de l’Ill et de la Doller à Bourtzwiller dont le débit est presque multiplié par deux, après rencontre de deux rivières à fort débit ;

- la zone située à l’entrée du canal couvert dont le débit est limité.

La ville de Mulhouse a déjà en place un Plan de Prévention des Risques des Inondations. Il délimite les zones à risque pour un aléa donné (par exemple pour le risque d’inondation). Il permet également d’établir une réglementation particulière dans ces zones pour limiter la vulnérabilité du bâti. Leur mise en place et leur contenu est encadré par le code de l’environnement. Ce Plan de Prévention des Risques des Inondations a été approuvé sur Mulhouse par arrêté préfectoral N°: 2006-361-1 du 27 décembre 2006 (source : plan communal de sauvegarde de la ville de Mulhouse).

Les plans de prévention des risques d’inondation ont pour but d’éviter l’aggravation de la situation en empêchant l’implantation de nouvelles constructions dans les zones inondables, ou tout du moins en limitant leurs impacts sur l’écoulement de l’eau. Mais comme un grand nombre de constructions se trouve déjà dans des zones inondables il a

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fallu mettre en place un système permettant de prévenir les personnes habitants des zones inondables en cas de crue afin qu’elles prennent les mesures nécessaires.

Une autre prévention est la prévision des crues qui est basée par la prévision météorologique. L’évolution de la hauteur d’eau dans la rivière ainsi que le débit détermine la situation future. La carte de vigilance crue, publiée chaque jour par le Service de Prévention de Crues, caractérise les mesures à prendre à chaque constatation faite sur la rivière. Cette carte a pour but de prévenir les populations d’un danger imminent, afin que celles-ci fassent le nécessaire pour diminuer leur vulnérabilité.

3) Problématique

Le département du Haut Rhin est soumis à un climat continental, les hivers sont plus froids et fréquemment enneigés. Le département est exposé à l’effet de Foehn, c’est un courant d’air chaud qui se charge en humidité et remonte sous l’effet du relief, tandis que le versant opposé est balayé par un vent chaud et sec. L’humidité stockée en altitude dans les courants chauds est alors évacuée sous forme de précipitations pouvant être intenses.

Figure 3: Effet de foehn sur un massif montagneux

Lorsque l’effet de Foehn se produit sur un épais manteau neigeux, les crues engendrées sont importantes dont le contrôle du niveau de l’eau dans la rivière n’est plus maîtrisable. Les rivières ont donc des comportements d’hiver qui sont différents à celui de l’été. La saison estivale commence en mai et se termine en septembre et la saison hivernale complète l’année. Cette séparation correspond respectivement à la période végétative et de l’enneigement du massif.

Le phénomène de Foehn est rencontré entre la saison d’hiver et le printemps. La majorité des crues ont eu lieu lors d’un effet de Foehn dans la partie des Vosges, ce qui pousse à supposer que les deux phénomènes sont liés. Cependant, même si dans certains cas la fonte de neige est l’origine de la crue (crue de 1947 où il y avait environ 1,5 à 2 m de neige sous un foehn de 15 à 20°C), dans d’autres situations les quantités de neige ne sont pas toujours très importantes par rapport aux précipitations (45 cm de neige à 700m d’altitude en 1990 soit environ 38 mm d’équivalent en eau en moyenne sur le bassin versant, à comparer aux 230 mm de pluie tombée en 4 jours).

Vent chaud et humide

Nuage et précipitation

Vent chaud et sec

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Dans le Sundgau, les caractéristiques hydrographiques de la zone sont également complexes. Les terrains superficiels sont peu perméables et s’étendent sur un relief collinaire. Le transit des eaux souterraines est alors rapide et s’accumule au débit des rivières. Ce phénomène de fort ruissellement concerne fréquemment l’Ill et provoque des crues rapides non maîtrisables pendant la période des pluies.

3.1) Caractéristique des rivières

Les deux rivières principales qui interviennent Mulhouse sont l’Ill et la Doller, elles encadrent la ville de Mulhouse et leur confluence se trouve juste au Nord de la ville. Ainsi l’étude de protection de la ville de Mulhouse, contre l’inondation, se concentre sur ces deux rivières.

Figure 4 : Situation géographique des rivières

3.1.1) Caractéristique de l’Ill

L’Ill est une rivière d’origine sundgauvienne, elle prend sa source dans le Jura alsacien, à Winkel quelques kilomètres de Winkel (527 m d’altitude). De cette source, la rivière s’infiltre dans un sol et après un parcours souterrain de deux kilomètres, elle ressort à Ligsdorf. Elle se jette dans le Rhin après la chute de Gambsheim. En amont de la ville de Mulhouse, l’Ill reçoit une grande superficie de bassin versant de 668 km². Le bassin versant couvre en totalité la région de Sundgau dont les sommets sont moins hauts que les sommets vosgiens et la neige non abondante. L’ensemble de la région est à une altitude moyenne variée entre 250 m et 500 m. L’Ill présente une pente non négligeable, donc l’arrivée de crues peut être soudaine et l’alerte est encore difficile à prévoir.

Mulhouse Doller

Ill Canal du Rhône au Rhin

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Les crues de l’Ill s’observent entre le mois de février et le mois de juin, elles sont dues à des précipitations continues sur un sol gorgé d’eau provoquant d’importants ruissellements. Les champs d’épandage de crue de l’Ill sont assez vastes mais la mise en culture de ces zones inondables réduit le pouvoir tampon de ces surfaces et aggrave les érosions. A l’aval de Mulhouse, l’Ill change de comportement, elle reçoit de différentes confluences avec des rivières vosgiennes qui augmentent les débits en aval.

L’Ill traverse la ville de Mulhouse grâce à ses différents ouvrages, dont le plus grand est le canal couvert au centre de la ville. Ce canal couvre la rivière sur une longueur d’environ 670m, et la ville s’en sert comme marché. Par contre la présence de cette couverture limite la capacité d’écoulement de la rivière entraînant un risque de débordement de la rivière à l’entrée, lors de grandes crues, qui est catastrophique pour la ville parce que l’altitude de la rivière est plus élevée par rapport à l’altitude de la ville. A l’aval de la ville de Mulhouse, l’Ill conflue avec la Doller.

3.1.2) Caractéristique de la Doller

La Doller est une rivière Vosgienne, elle prend sa source dans le massif du Ballon d’Alsace et s’écoule dans la vallée de Masevaux avec une longueur de 45 Km jusqu’à la confluence avec l’Ill. La vallée de Masevaux est de formation typiquement glaciaire et très encaissée. La Doller reçoit un bassin versant de superficie de 260 Km² et dont les altitudes du bassin versant varient entre 1270 m et 240m. Les pentes sont élevées en haut de bassin versant entre 10% et 20%.

Le qualificatif de « Vosgienne » à cette rivière provient de son origine, mais également de son caractère typique. Les épisodes de crues les plus remarquables se situent en fin de période hivernale, lorsque la fonte des neiges atteint son apogée dont les neiges sont souvent de mauvaise qualité qui s’associe avec une forte précipitation. La rivière de montagne, à écoulement paisible auparavant, devient en quelques heures un véritable torrent charriant des pierres et des troncs d’arbre. Ces caractères sont typiques de toutes les rivières provenant du massif vosgien.

Les crues de la Doller peuvent entraîner un retour d’eau vers l’Ill. Ce remous remonte le niveau de l’eau dans l’Ill et peut provoquer un débordement vers la ville de Mulhouse, l’intensité de ce phénomène restant à vérifier.

3.2) Caractéristique du canal couvert

Le canal couvert se trouve au centre de la ville de Mulhouse, il mesure environ 670m en longueur. La couverture en dalle sert pour la commune de Mulhouse comme un marché couvert pour le public, la commune a gagné beaucoup de place avec une grande largeur dont le marché occupe une grande superficie de terrain.

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Historiquement le pont du canal couvert existe depuis plus de cent ans, la commune de Mulhouse l’a recouvert de dalle en béton en 1906 pour permettre la construction du marché couvert qui fêtait son 100ème anniversaire le mois d’octobre de l’année 2008.

Au niveau économique, le marché du canal couvert à Mulhouse est le troisième plus grand marché de la France (source magazine spécial jds.fr), ce qui signifie que la commune de Mulhouse ne peut pas négliger la présence du marché même si cela à d’autre impact dans d’autre secteur d’activité de la ville.

Figure 5: Vue en plan du canal couvert à Mulhouse

Géométriquement, le pont est couvert sur une grande longueur, la présence de ce pont limite le débit entrant et peut faire déborder l’eau de la rivière dans la ville lors de grandes crues. En plus l’altitude du canal est plus élevée par rapport à celle du centre ville, donc l’eau rejoint directement la partie basse de la ville en cas de débordements.

4) Objectif de l’étude

Face à ces différentes problématiques, l’objectif de ce stage est d’analyser la situation de la ville de Mulhouse lors du passage d’une grande crue dans la ville, en particulier la crue de projet ou la crue centennale. De ces analyses on pourra en déduire les lieux de débordements de la rivière qui inonderait la ville. On vérifiera ensuite s’il est possible d’écrêter la crue en amont du canal couvert pour un certain débit de l’Ill afin de réduire le débit entrant au canal couvert ou de réaliser d’autres ouvrages de protection dans le cas échéant.

Les étapes à suivre sont dans un premier temps, les analyses hydrologiques puis les études hydrauliques, ce qui consiste à étudier le fonctionnement en détail de la rivière Ill. Le travail hydrologique préalable aboutira à la réalisation d’un hydrogramme de la crue centennale de l’Ill et de la Doller qui servira pour les simulations hydrauliques des

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scénarios envisagés. Et enfin la dernière étape est les études des ouvrages à mettre en place pour limiter les débits entrants au canal couvert

Ces études correspondent à l’avant projet du Département du Haut Rhin pour la situation de la ville de Mulhouse en cas de crue centennale. Ces études hydrauliques permettront le dimensionnement des ouvrages nécessaires.

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Partie II Analyse hydrologique L’analyse hydrologique est la détermination des caractéristiques des crues. C’est une étude préliminaire pour les études hydrauliques, elle consiste à traiter les diagrammes de crues d’une rivière afin de produire une hydrogramme de crue de projet. Elle donne l’opportunité de reconnaître les comportements des crues et la tendance de la variation en fonction des temps.

L’étude hydrologique est basée par l’utilisation du logiciel PRETHY, un logiciel d’estimation de débits et de construction des hydrogrammes de crues. Les hydrogrammes obtenus seront utilisés comme données d’entrée de modèle hydraulique pendant la simulation en régime transitoire.

1) Présentation de PRETHY

PRETHY ou PRogramme d’Echantillonnage et de Traitements HYdrologiques est un logiciel spécifiquement dédié à l’étude des débits, il permet à l’utilisateur de visualiser et construire les chroniques hydrologiques et d’effectuer un échantillonnage de valeurs. Après l’échantillonnage, il faut ajuster les variables sur les deux types de loi, la loi exponentielle et la loi de Gumbel. PRETHY est un logiciel qui offre la possibilité de caler un modèle de synthèse QdF (débit – durée – fréquence) selon l’approche locale convergente ou l’approche par bassin de référence.

PRETHY se base sur la méthode de SOCOSE qui repose sur un modèle classique de transformation débit – pluie et propose ensuite un hydrogramme de crue. Elle utilise un hydrogramme unitaire dépendant d’un paramètre homogène à un temps (la durée) comme fonction de transfert. Toute la démarche permet d’obtenir un débit périodique instantané et la plus importante valeur est la valeur du débit de pointe isolé de crue. Les durées d’échantillonnage choisies dépendent de l’estimation de la durée de dépassement de la moitié de la crue décennale.

PRETHY est un logiciel gratuit disponible en version française sur le site du cemagref de Lyon. Il est facile à installer et ne demande pas beaucoup d’espace de stockage informatique de plus, les expériences avec les études d’avant montrent que les résultats obtenus sont cohérents et peuvent être exploitables pour toutes constructions des hydrogrammes de projet. Il offre la possibilité de caler un modèle de synthèse QdF (débit Q – durée d – fréquence F) selon l'approche locale convergente ou l'approche par bassin de référence.

Précisément, le logiciel fournit des hydrogrammes de projet HSMF (Hydrogramme Synthétique Mono Fréquence) en lien avec les courbes QdF. Un hydrogramme de projet HSMF est un hydrogramme similaire à un diagramme de crue sur une historique de crue, dont la durée de dépassement de la moitié de la crue est la même mais les valeurs des débits sont proportionnelles

.

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2) Données disponibles :

Les données traitées dans le logiciel sont : les chroniques de débits historiques d’une station de rivière, l’altitude au niveau de la station et la superficie du bassin versant ainsi que les précipitations qui engendrent la station.

Les débits contribuent à l’estimation de débits futurs de mêmes durées ou plus. La précision des résultats est en fonction de l’ancienneté du recueil des données, c'est-à-dire que plus la chronique est longue plus les résultats sont précis. Les chroniques de débits sont à pas de temps variables et tant de mieux régulier, ni très serrés, ni trop décalés plus d’une journée.

L’altitude de la station, la superficie du bassin versant ainsi que les précipitations participent à la précision du résultat du logiciel. Ce sont des données classiques pour un bassin versant et ne varie pas en fonction des paramètres externes. Pour les précipitations, pendant le calcul, les valeurs prises sont les valeurs moyennes de précipitation dans l’année, elles sont déduites des données météorologiques, de la région d’Alsace.

Figure 6: Interface du logiciel PRETHY

Pour construire les hydrogrammes, les deux stations de débit des deux rivières, pour la collecte des chroniques de débit, sont :

* La station de Reiningue pour la Doller, c’est la dernière station avant la confluence avec l’Ill. Les débits sont considérés constants pour cette station jusqu’à l’arrivée à Mulhouse, à la confluence. La chronique de débit de cette station date de 24/12/1967 à 08/01/2008. La précipitation moyenne annuelle est de 1000 mm/an.

* La station de Didenheim pour l’Ill, c’est la dernière station qui se trouve en amont de la ville de Mulhouse et où considérée qu’aucun débit ne provient d’un affluent supplémentaire entre Didenheim et la ville de Mulhouse. A Didenheim la durée de prélèvement de débit

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dure depuis 23 ans, de 01/01/1986 à 01/01/2009. La précipitation moyenne annuelle est de 860 mm/an.

Ces deux stations se trouvent à une distance quasi-équivalente de la ville de Mulhouse, Les débits fournis sont des débits évalués et corrélés par rapport à d’autres stations, et de plus les historiques de débits sont anciens. Le nombre d’années d’études permet de prendre les valeurs prises de ces stations comme des valeurs correctes et utilisables directement pour toutes études hydrologiques.

L’ensemble de ces données est regroupé dans un fichier au format HYDRO. Un fichier HYDRO est un fichier équivalent à un fichier texte dont les quatre premières lignes constituent les en-têtes. L’information contenue dans la troisième ligne est exploitée dans le logiciel (code, nom de la station, altitude de la station, surfaces) et les lignes qui suivent contiennent les informations du débit. Les débits sont à pas de temps variable.

3) Méthodologie :

Avant de commencer le traitement des données, le logiciel permet de visionner et de vérifier les données entrées avec une fenêtre graphique, ou une fenêtre d’accueil, il contient : un tracé de la chronique brute avec mention de quelques caractéristiques de base :

- la date du commencement et de la fin de la chronique de débit ;

- la valeur maximale de débit décrit dans la chronique, valeur moyenne calculée rapide en fonction des débits de la chronique ;

- le nombre de lacunes ou nombre des lignes manquées, dont le décalage, entre deux pas de temps, est largement éloigné, exprimé en jour et en pourcentage.

Ainsi cette chronique affichée et validée constitue la référence pour les traitements ultérieurs.

3.1) Principe

3.1.1) Durée d’échantillonnage

Le calcul des hydrogrammes dans le logiciel PRETHY demande l’intégration de différentes durées d’échantillonnage. La durée d’échantillonnage correspond à la durée pendant laquelle le débit dépasse la moitié du débit décennal. Ce débit de la rivière est considéré comme non négligeable.

Cette durée peut être fixée directement par l’utilisateur soit proposée par le logiciel PRETHY lui-même. Ainsi pour chaque durée d’échantillonnage, le logiciel calcule le débit moyen pour chaque intervalle de temps et pour chaque période de retour.

PRETHY retient un événement pour chaque année qui correspond en général à la plus grande crue de l’année. Il détermine la durée moyenne de dépassement soit de la moitié du débit de

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pointe si ce dernier est inférieur au débit décennal, soit de la moitié du débit décennal. Cette durée moyenne est nommé D' dans le logiciel, et quatre autres durées sont également intéressantes pour les calculs : 0, D'/8, D'/4 et D'/2. La durée 0 ou « zéro jour » correspond au débit de pointe de la crue.

Figure 7: choix de durée d'échantillonnage selon PRETHY

Si l’utilisateur choisit la durée d’échantillonnage, celle-ci dépend de la connaissance des crues et en particuliers des hauteurs d’eau de la rivière. Ces durées correspondent à des périodes pendant lesquelles des débits remarquables sont observés ; elles sont comptées de la pointe de crue jusqu’à une hauteur d’eau considérée comme « normale » dans le lit mineur.

3.1.2) Débits de seuils et débits moyens

Les débits de seuil et les débits moyens sont déduits des valeurs de débits contenus dans les données de débits sur la chronique entrée. Ces valeurs participent à la prévention des crues et le comportement moyen de la rivière pendant l’année.

Les débits seuils QCXd sont la valeur maximale obtenue sur la chronique des débits QCd(t), avec QCd(t) sont les valeurs minimales des débits continus pendant la durée d’échantillonnage d avec :

)(max

,'),'(min)(tQCdQCXd

dttttQtQCd

Les débits moyens VCXd sont la valeur maximale obtenue sur la chronique des débits VCd(t), avec VCd(t) est la moyenne des débits calculés sur un intervalle de la durée d’échantillonnage d.

)(max

')'(1)(2/

2/

tVCdVCXd

dttQd

tVCddt

tt

½ Q10

Q10

Débit

Durée

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Figure 8: graphe pour estimation des débits de seuil et débits moyens dans PRETHY

(source Manuel PRETHY)

3.1.3) Débits de pointe

Le calcul des débits de pointes par le logiciel PRETHY se fait par la méthode de Gradex, c’est une méthode qui permet de faire l’extrapolation des débits pour des périodes de retours supérieure à 10 ans en utilisant l’ajustement statistique des pluies observées du bassin versant. Plus les périodes de retour sont élevées, plus les incertitudes sur les débits caractéristiques sont importantes, cela dépend du nombre d’années des données disponibles sur la chronique.

Pour une période de retour supérieure à 10 ans, le logiciel prend en compte la valeur des précipitations dans le calcul. En fonction de la surface du bassin versant, il affecte un coefficient, l’ajustement spatial, car la valeur de précipitation donnée se situe au niveau de la station. Ce coefficient est alors en fonction de la précipitation, la période de retour de calcul et évidemment la surface du bassin versant.

Pour le débit centennal la formule est la suivante :

pauuQQ )( 1010010100

- ap étant le gradex des pluies

- u la variable réduite de Gumbel.

3.2) Résultats et discussion :

Les résultats de calculs de PRETHY sont des valeurs de débits et des diagrammes de crues. Chaque durée d’échantillonnage a des résultats respectifs : le débit moyen annuel, les débits moyens mensuels ainsi que le nombre d’événement de crues correspondants, enfin les quantiles théoriques estimés (figure 5). En effet, toutes les valeurs et les diagrammes des débits sont en fonction de la durée d’échantillonnage et le période de retour.

Débit moyen

Débit de

seuil

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3.2.1) Les débits

Tableau 1: Débits estimés pour la Doller (m3/s)

DUREE (j) 0 0.5 1 2 3 4 T [1.01] 18.997 15.608 14.113 13.645 12.699 12.458 T [2.0] 85.941 75.888 66.825 54.719 46.522 41.055 T [5.0] 126 112 98.339 79.275 66.744 58.152 T [10.0] 152 136 119 95.534 80.132 69.472 T [20.0] 178 159 139 111 92.975 80.33 T [30.0] 193 172 151 120 100 86.576 T [50.0] 211 188 165 131 110 94.384 T [100.0] 235 211 185 146 122 105

Tableau 2: Débits estimés pour l'Ill (m3/s)

DUREE (j) 0 0.25 0.5 1 2 4 T [1.0] 86.473 82.627 78.814 71.049 57.266 41.434 T [2.0] 117 111 104 90.646 71.498 51.886 T [5.0] 156 148 138 117 90.312 65.703 T [10.0] 187 176 163 136 105 76.155 T [20.0] 217 204 188 156 119 86.607 T [30.0] 234 221 203 167 127 92.721 T [50.0] 257 241 222 182 138 100 T [100.0] 287 269 247 201 152 111

Ces tableaux montrent les valeurs des débits estimés pour chacune des rivières, elles sont en fonction de période de retour et les durées d’échantillonnage proposées pour le traitement des données dans le logiciel. Les résultats montrent que les débits de crue dans l’Ill sont toujours plus importants que dans la Doller, ceci dépendant de la surface de Bassin versant et les précipitations.

Pour chaque période de retour correspondant, les débits obtenus avec un échantillonnage à durée zéro correspondent aux débits de pointe des crues, ou les débits maximaux qui peuvent se produire dans la rivière. Les autres valeurs obtenues sont les débits moyens pendant l’intervalle de la durée d’échantillonnage. La durée d’échantillonnage quatre jours est fixée pour consulter le débit dans la rivière deux jours après le débit de pointe de crues.

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Figure 9 : Quantile débit – durée – fréquence de l’Ill

Ce graphe est la représentation graphique du tableau des résultats des débits pour l’Ill, ceci montre la fréquence de passage des crues dans la rivière avec un débit moyen au alentour de 80m3/s. Ce qui signifie que le débit maximal annuel de la rivière se situe entre 80 m3/s et 90 m3/s pendant la saison des hautes eaux en dehors des plus grandes crues. Par ailleurs PRETHY estime le débit modal de l’Ill à 6,45 m3/s.

3.2.2) Les hydrogrammes

On appelle hydrogrammes bruts les hydrogrammes issus de la chronique de données, ils sont construits en prenant les valeurs maximales de toutes les crues et s’étendant sur un intervalle de temps de 3 jours. Le logiciel prend les dix plus fors hydrogrammes, les évènements correspondant aux crues dont le maximum a été échantillonné pour une durée d’échantillonnage égale à zéro.

On appelle hydrogramme moyen normé la moyenne entre ces dix hydrogrammes qui se fait par extrapolation dont la formule n’est pas déterminée. Cet hydrogramme moyen normé est un hydrogramme type pour la rivière toute entière au niveau de la même station de débit et qui peut servir pour toute construction d’un hydrogramme de crue. Le diagramme est à valeurs proportionnelles entre le débit maximal de crue et les valeurs de débits en fonctions de temps. C’est un hydrogramme de « durée » en fonction de la « proportionnel de débit » (cf. figure10), et prévu pour une crue qui dure environ 3 jours.

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Figure 10 : Les hydrogrammes moyens normés de l'Ill et de la Doller

Par rapport aux résultats en possession du Conseil Général du Haut Rhin, les allures de ces hydrogrammes pour les deux rivières semblent cohérentes, par contre l’estimation du débit de pointe pour la crue centennale de la Doller est inférieure à celle des études antérieures. Ceci est explicable par les paramètres climatiques et des paramètres hydrologiques spéciaux qui ne sont pas intégrés dans PRETHY comme la fonte de neige.

4) Construction des hydrogrammes de crues

Nous avons choisi de construire les hydrogrammes de crue à partir de l’hydrogramme moyen normé. Dans les tableaux des résultats, on retient le débit maximal de point de période de retour cent ans pour les crues de projet. Les valeurs dans les hydrogrammes de crues s’obtiennent alors de façon à projeter la valeur du débit maximal de pointe aux diagrammes moyens normés.

Figure 11: Les hydrogrammes des crues centennales

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L’hydrogramme de crue de projet pour la protection de Mulhouse contre les crues correspond à l’hydrogramme de la crue centennale dont les débits maximaux calculés par PRETHY sont 287m3/s pour l’Ill et 235 m3/s pour la Doller. Les allures des hydrogrammes correspondent à celles de hydrogrammes moyens normés.

PRETHY est un logiciel facile à manipuler et dont les résultats semblent cohérents, l’inconvénient c’est qu’il ne donne pas les valeurs des hydrogrammes en versions numériques mais seulement en image, et la récupération des valeurs est alors faite manuellement en gardant l’échelle d’impression de toutes les images.

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Partie III Etude hydraulique L’étude hydraulique consiste à faire le diagnostic de la zone d’étude pour tout événement hydraulique. Elle consiste à calculer les hauteurs d’eau et déterminer les zones de débordement. Pendant le stage, nous avons utilisé deux logiciels, un logiciel de Système d’Information géographique et un logiciel de modélisation de rivières qui permettent de reproduire l’état de la zone naturelle à l’état numérique.

Une simulation hydraulique d’un modèle est un calcul, dont les résultats sont caractéristiques du débit, de la géométrie du cours d’eau ainsi que des conditions aux limites du modèle. Les données topographiques et les conditions aux limites sont les données de bases pour concevoir le modèle dans HEC-RAS. Il existe différents types de données topographiques qui dépendent de son extension géographique du modèle, sa résolution et surtout la précision des valeurs.

1) Données disponibles :

1.1) Données topographiques

Les données topographiques sont les informations des altitudes de tous points dans l’espace. Ces informations peuvent être représentées uniquement en construisant des Modèles Numériques de Terrains (MNT). Ils se présentent en deux types de modèles : en Raster et en TIN (Triangular Irregular Network). Ce MNT est obtenu par levés laser réalisés par avion lorsque la végétation est peu développée et par basses eaux car le laser est réfléchi par la surface de l’eau, il permet de représenter en trois dimensions une surface de terrain sans les obstacles tels que la végétation ou les bâtiments, il ne contient que les altitudes du terrain naturel. Un autre modèle est disponible sous forme de MNS ou Modèle Numérique de Surface, les valeurs des altitudes contiennent les altitudes de la végétation et les bâtiments ainsi que tous ouvrages existants dans le modèle.

Pour le tracé du modèle, c’est le MNT Raster qui est utilisé. Il s’agit d’une matrice de nœuds réguliers en X et Y qui sont les coordonnées topographiques. C’est un modèle simple, chaque nœud contient une valeur Z. Ces fichiers raster sont représentés sous forme d’images, chaque pixel ayant comme valeur la donnée Z ou l’altitude. Chaque altitude ainsi positionnée correspond à une altitude moyenne d’un élément de surface du terrain. Cette distribution régulière de points définit alors un maillage de la surface du terrain, les dimensions de la maille (de fait, rectangulaire ou carrée) définissant ce qu’on appelle la résolution spatiale planimétrique du MNT, plus les dimensions du pixel sont petites, meilleure est la résolution topographique. Les données topographiques au Conseil Général sont disponibles avec une haute résolution de 50cm c'est-à-dire 50cm de coté pour chaque pixel carré.

Pour l’extraction des profils de rivière, on utilise le Modèle Numérique de Terrains, et pour l’extraction des ouvrages, (seuil, pont ou route) ce sont les Modèles Numériques de Surfaces

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(MNS). Ces deux types de données rasters peuvent êtres représentés aussi en ombrage. Les données rasters contiennent toutes les coordonnées et les valeurs numériques des altitudes, les ombrages sont des couches images représentants la forme équivalente en trois dimensions du terrain en fonction des altitudes inscrites dans les données laser par illumination virtuelle du paysage.

Figure 12: Couche ombrage d'une couche MNT

1.2) Conditions aux limites

Les données hydrologiques sont les conditions aux limites en amont d’un modèle dans HEC – RAS avant la simulation, ce sont des débits et des hydrogrammes de crues :

# Pour la simulation en régime permanent, le débit est constant, la simulation HEC – RAS ne considère qu’un seul débit dans la rivière. Pour la simulation en régime permanente les données sont des débits de référence. Pour la simulation de crue projet, on utilise le débit de pointe de la crue centennale.

# Pour la simulation en régime transitoire, HEC – RAS fait un calcul continu à partir d’un hydrogramme ou une chronique de débit à pas de temps fixe. Pour chaque simulation, une chronique contient un débit de référence avec les durées de la chronique de débit. Les hydrogrammes des crues centennales sont les hydrogrammes de projet calculés avec le logiciel PRETHY du chapitre analyse hydrologique.

La condition aux limites à l’aval du modèle est la pente normale de l’écoulement à la sortie des effluents. S’il s’agit d’un écoulement normal qui est capable de recevoir tous les effluents sortants la condition aux limites est un seuil équivalent à une pente critique.

Canal couvert

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2) Méthodologie :

2.1) Présentation des logiciels

2.1.1) ArcMAP :

ArcMAP est un ensemble de logiciel de Système d’Information Géographique réalisé par la société ESRI, et disponible au Conseil Général en version 9.3. Il permet de visualiser, explorer, interroger et analyser des données spatiales. C'est un outil qui a connu un développement et un succès très important dans le monde entier. L’objectif est de fournir un outil de visualisation simple et convivial de données gérées par ArcInfo. La version actuelle est beaucoup plus qu’un simple outil de visualisation. On dispose d’un ensemble de moyen assez complet de fonctions d’analyse thématique, de représentation, de stockage et d’acquisition de données. ESRI de même que des partenaires développent de nombreux modules accroissent les fonctionnalités d'ArcMAP comme la présence des extensions et des modules permettant de faire exporter un fichier dont les données sont exploitables sur HEC – RAS.

Le travail avec ce logiciel s'effectue à l'aide de "thèmes" capables de gérer trois types de données : les points, les lignes et les aires (polyligne ou raster). Ces thèmes sont le résultat de la visualisation de fichiers de forme. Leur format définit la géométrie et les attributs d'entités géographiquement référencés dans plusieurs fichiers dotés d'extensions spécifiques et devant être conservés dans l'espace de travail du même projet.

Les principales extensions des fichiers sont :

- .shp : fichier contenant la géométrie de l'entité géographique (le point par exemple)

- .shx : fichier contenant l'index de la géométrie de l'entité géographique

- .dbf : fichier de base de données (dBASE) contenant les informations d'attributs des entités géographiques (la position, le rendement et l'humidité, par exemple)

Le logiciel est très bien adapté au service qui réalise surtout de la consultation de données graphiques et la réalisation de cartes. Les cartes du Département du Haut Rhin viennent principalement de l’IGN (SCAN 25, l’ORTHOPHOTO, la BDcarto et la BD topo de tout le département.)

ArcGIS Spatial Analyst est une extension du logiciel, c’est une gamme étendue de puissants outils d’analyse et de modélisation spatiale. Il permet de créer, interroger, apparier et analyser des données raster basées sur des cellules, ainsi effectuer des analyses, obtenir de nouvelles informations à partir des données existantes, interroger des informations dans plusieurs couches de données, et intégrer totalement des données raster basées sur des cellules à des sources de données vectorielles traditionnelles. Intégré à l’infrastructure de géo-traitement,

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ArcGIS Spatial Analyst permet d’accéder facilement aux nombreuses fonctions de l’environnement de modélisation graphique ModelBuilder. (source ESRI France)

ArcGIS 3D Analyst est aussi une autre extension du logiciel, il présente aussi des outils puissants et avancés d’analyse et de génération de surface. Il permet de visualiser clairement, depuis plusieurs points, les jeux de données en 3 dimensions, de calculer une surface étendue. On peut créer des images en perspectives depuis des données raster sur un modèle numérique de terrain. A partir de l’extension 3D Analyst, il est capable de gérer l’extension des couches de données, de créer une nouvelle couche de données et de faire l’interpolation entre les couches rasters.

2.1.2) HEC – RAS :

C’est un logiciel de modélisation monodimensionnel qui a été développé par les US Army Corps of Engineers. HEC-RAS signifie Hydrologic Engineering Center – River Analysis System, soit Centre d’ingénierie en hydrologie – système d’étude des rivières. Il permet de faire des simulations en régimes permanent et transitoire d’une rivière. Il permet aussi de faire une simulation avec des maillages entre les rivières. Il consiste en général à déterminer la hauteur d’eau dans la rivière à chaque débit entrant et aussi quelques variables caractéristiques d’un écoulement fluvial, comme la charge, la vitesse de l’eau, ou autre. Enfin un écoulement monodimensionnel donne une valeur unique de chaque variable pour chaque profil en travers du modèle.

Un modèle hydraulique HEC – RAS contient dans sa géométrie des profils en travers des rivières et les profils des ouvrages. Les profils en long sont calculés à l’altitude de leurs profils en travers, ils sont perpendiculaires au sens de l’écoulement et présentent des coordonnées et des altitudes topographiques. Ils décrivent la forme et l’allure de la rivière. Le choix de ce logiciel pour faire la modélisation est la présence d’une extension qui permet de faire un couplage avec ArcGIS et qui est gratuit.

Par rapport à d’autre logiciel de simulation, le logiciel HEC – RAS tient compte des calculs en présence des ouvrages dans la rivière pendant la simulation et garde en général les topographies extraites des données du système géographique. Le temps de calcul d’HEC – RAS pour une simulation est plus rapide. En régime permanent, les résultats sont moins précis car la simulation ne tient compte qu’un seul débit tout le long de la rivière. Par contre avec la simulation en régime transitoire, les résultats sont beaucoup plus précis et approchent les observations (obtenus sur le terrain).

2.1.3) Couplage ArcGIS et HEC – RAS

Il est possible de faire un couplage entre ArcMap et HEC – RAS. Il suffit de tracer à l’écran dans ArcMap tous les profils nécessaires à extraire d’une couche MNT de la géométrie vers HEC – RAS. Du logiciel ArcGIS, il fait le calcul des élévations et des profils de tous les

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tracés, le centre de la rivière, les rives de la rivière, les chemins d’écoulement de l’eau ainsi que les profils en travers.

Ce couplage facilite l’entrée des données pour la modélisation dans HEC – RAS, il remplace l’entrée manuelle de toutes les valeurs de profils en travers de la rivière. Il est pratique surtout pour les rivières de grande dimension qui nécessite beaucoup de profils en travers. L’extrait du profil en travers des ouvrages se fait indépendamment en utilisant la même couche du MNT que les profiles en travers simple de la rivière.

Une fois que tous les profils sont tracés dans ArcGIS, grâce à l’extension dans ce dernier, il fait l’extraction de la topographique du MNT et sauvegarde les données géo – référenciées et les informations topographiques des profils dans un fichier exportable dans HEC – RAS. Les résultats comportent les cordonnées des profils, les altitudes de tous les points et la distance entre les profils. Toutes les coordonnées dans la base de données du Département du Haut Rhin sont en Lambert II donc pour garder ces coordonnées, l’exportation se fait en système international lors de la manipulation dans HEC – RAS.

Réciproquement, lorsque tous les calculs dans HEC – RAS sont finis, ce dernier présente également un outil de conversion des résultats en un fichier exploitable géoréférencé dans ArcMap. Ce fichier contient les coordonnées et les altitudes des hauteurs d’eau obtenue. ArcMap calcule l’extension de la zone inondable et de l’altitude des hauteurs d’eaux à partir des résultats de HEC–RAS et les rassemble dans une autre couche raster. Et enfin pour avoir la hauteur d’eau de toutes les zones, on compare les altitudes d’eau à celui du MNT en faisant la soustraction entre les deux rasters.

3) Construction du modèle

Par hypothèse, la Doller contribue aussi à l’inondation de la ville de Mulhouse. A la base c’est l’Ill qui traverse la ville de Mulhouse, mais comme la confluence avec la Doller se trouve en amont de la ville, l’intégration de cette rivière dans le modèle est très importante. La Doller est aussi une rivière à fortes crues, ceci peut avoir une influence sur la hauteur d’eaux dans l’Ill lorsque le niveau d’eau dans la Doller augmente ce qu’on appelle effet de remous.

Pour l’Ill avant la confluence, le tracé du modèle commence à 4 Km avant l’entrée dans la ville de Mulhouse. L’objectif est d’avoir quelques ouvrages importants avant l’entrée du canal couvert dans la ville de Mulhouse pour caractériser la rivière.

Pour la Doller, le choix de la longueur de la rivière est large, le principal objectif est d’avoir un écoulement de la Doller vers la confluence et ainsi pour garder les caractéristiques de la rivière avant la confluence, topographique, géométrique, ….

Enfin, après la confluence entre les deux rivières, le modèle est prolongé jusqu'à un seuil dénoyé qui permet de définir une condition aux limites caractéristiques correspondant au tirant d’eau critique.

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3.1) Les profils

Les profils sont digitalisés à l’écran sous la couche ombrage de la donnée MNT dans ArcGIS. Grâce à sa résolution et sa qualité géométrique, les variations entre les topographiques des zones dans la couche raster sont bien identifiées.

L’extension GEO RAS dans ArcGIS permet d’identifier les différents types de ligne à tracer qui sont les lignes de rivière, des rives, des zones d’écoulements de l’eau et des profiles en travers dont HEC – RAS se sert après l’importation des données. Il y a des principes à respecter pour la structure du modèle ArcGIS.

> Rivière : le tracé commence de l’amont vers l’aval, il suit le centre de la rivière. Dans le cas de ce stage, il y a deux rivières en confluence qui se rejoignent en une seule rivière, c’est une modélisation en maillage

> Rives : les deux rives sont tracées suivant les deux berges des rivières apparues sur la couche de base de données SIG. La construction est faite de même que les rivières de l’amont vers l’aval.

> Zones d’écoulement de l’eau : sont les zones où les eaux peuvent circuler en dehors des deux rives de la rivière en cas de débordement du lit mineur. Ces zones sont tracées de mêmes principes que les rives, de l’amont vers l’aval.

> Profils en travers : ces profils ont le rôle le plus important dans la construction d’un modèle dans HEC –RAS. Ils décrivent toutes les caractéristiques géométriques ainsi que topographiques de la rivière. Ils sont perpendiculaires à l’écoulement et prennent en compte la largeur des lits majeurs de la rivière. Les tracés se font de gauche vers la droite. Les profils ne doivent pas s’éloigner pour garder l’image, l’allure et la largeur de la rivière. Entre deux profils en travers, la forme de la rivière doit rester quasiment constante. Si la rivière a une forme variable, la distance entre les profils doit être de plus en plus serrée.

Un profil en travers renseigne les altitudes de la rivière, les limites des lits mineurs et les lits majeurs de la rivière. Il doit couper tous les autres profils et traverser toutes les infrastructures existantes sur les deux cotés de la rivière comme les digues, les routes ou même les cours d’eau dérivés. La précision dans l’ombrage de la couche MNT permet de bien tracer ces profils.

> Profils des ouvrages : Un ouvrage hydraulique est caractérisé par au moins trois profils en travers, deux profils autour de l’ouvrage, un immédiatement en amont et l’autre immédiatement en aval et le troisième passe directement sur l’ouvrage pour caractériser les altitudes en surface de l’ouvrage. En tout cas les profils en travers ne devront pas se couper entre eux s’il s’agit une seule rivière. (NB : entre deux ouvrages, il faut au moins deux profils intermédiaires pour stabiliser le calcul.)

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Figure 13 : Vue en plan du tracé des profils dans ArcGIS et dans HEC – RAS

3.2) Le canal couvert

Le canal couvert est l’ouvrage existant le plus critique dans la ville de Mulhouse. On rappelle que la longueur de l’ouvrage est d’environ 670 m, et il est difficile de faire un choix pour la simulation s’il faut le modéliser en tant que pont ou en buse. Dans HEC – RAS la façon de calculer la perte de charge entre ces deux types d’ouvrage est différente de l’une à l’autre. Pour avoir la hauteur d’eau en amont et en aval du canal couvert, la modélisation doit se faire alors de deux manières différentes.

Pour les ponts, il considère que les pertes de charge à l’intérieur sont simplement linéaires alors que pour les autres ouvrages comme les buses ou les dalots, le logiciel calcul des pertes de charges intermédiaire en fonction de rugosité et du coefficient de perte de charge de l’ouvrage.

Comme la longueur de l’ouvrage est assez grande pour un pont, l’ouvrage a été considéré aussi comme une grande buse dont la perte de charge singulière est non négligeable. Pour le pont HEC – RAS calcule une valeur de charge en amont et une autre valeur en aval, dont les valeurs intermédiaires sont des interpolations linéaires. Par contre avec le profil en buse, HEC – RAS fait des calculs intermédiaires et prend en compte les différentes pertes de charges linéaires à l’intérieur de la buse. Ceci à beaucoup d’impact pour le niveau de l’eau en amont du pont.

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Figure 14: Différence de hauteur d'eau entre buse et pont.

Les images de la figure 8 sont les résultats de deux simulations différentes entre deux géométries du canal couvert, ils montrent la variation de ligne d’eau entre un modèle avec un pont et un modèle avec une buse. La ligne d’eau au dessus correspond à la ligne d’eau après la simulation avec la buse et il comporte sur la ligne des valeurs intermédiaires de ligne d’eau, par contre la ligne en dessous se fait par interpolation linéaire des valeurs des hauteurs d’eau en amont et en aval du pont.

L’impact entre les deux modes de calculs est surtout la hauteur d’eau en amont du canal couvert. La simulation avec le pont donne une hauteur d’eau moins élevée d’où il ne présente que des moindres débordements qui ne sont pas cohérents et peuvent falsifier les résultats des calculs pour la valeur du débit débordé vers le centre ville de Mulhouse.

4) Simulation

La simulation est l’opération de calcul après la construction du modèle de terrain, le logiciel procède à l’utilisation de toutes formules hydrauliques pour obtenir les résultats de chaque paramètre hydraulique. Il existe deux types de simulations : simulation en régime permanent et simulation en régime transitoire.

La simulation en régime permanent correspond au calcul de l’écoulement uniforme dans la rivière, c’est une simulation simple en utilisant une valeur de débit constant pendant la simulation. Plusieurs débits peuvent être simulés en même temps mais les résultats obtenus sont respectivement uniques pour chaque débit entré et pour chaque profil. Cette simulation est plus pratique si on s’intéresse à des résultats pour un débit donné parce que la durée de la simulation est rapide et les résultats obtenus sont simples.

La simulation en régime transitoire correspond au calcul de l’écoulement variable dans le temps. Elle permet d’avoir des résultats plus réalistes que la simulation en régime permanent, elle fait le calcul à partir d’une chronique de débit. Elle prend en compte la variation de débit de la chronique dans le temps et calcule à tout moment toutes les variables hydrauliques.

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En effet, pour le diagnostic, plusieurs scénarios ont étés considérés. La simulation est lancée en faisant alterner les chroniques de débits dans la rivière pour avoir les différentes hauteurs d’eau à chaque différents cas de crues (cf. 6. Apport de la modélisation pour le diagnostic de risque). Par ailleurs, il est plus pratique de lancer le modèle en régime permanant si on s’intéresse seulement à connaître la hauteur d’eau dans la rivière pour un débit particulier. Les différentes hauteurs d’eau sont alors obtenues après simulation de différents débits.

5) Calage et validation

Le calage est l’ajustement d’un modèle, il consiste à comparer les résultats obtenus avec les archives des résultats et des événements historiques de la zone. Le calage a pour but d’optimiser le modèle construit afin de pouvoir le simuler avec la crue de projet ou la crue centennale.

Le calage d’un modèle se fait après plusieurs simulations en faisant varier le coefficient du Manning Strickler. Ce coefficient dépend de la rugosité dans le lit mineur de la rivière, plus la valeur est petite, plus les matériaux sont lisses. Ce coefficient est important car il joue un grand rôle sur les calculs dans HEC – RAS, la variation de la hauteur d’eau est très sensible et tous les calculs dépendent de sa valeur.

La dernière crue remarquable et récente à Mulhouse s’est produite en Août 2007, des observations sont disponibles au sein du Conseil Général, la chronique du débit et des photos pendant et après le passage de la crue. Les photos montrent à un moment donné (date de cliché) les niveaux du tirant air dans la rivière ; ces valeurs devront correspondre aux mêmes valeurs du tirant d’air au même endroit dans le modèle lorsqu’on lance la simulation avec la même chronique de crue. C'est-à-dire on lance la simulation du modèle avec la chronique de débit de l’année correspondante, et répète la simulation en faisant varier la valeur du coefficient du Manning jusqu’à obtention de la même valeur de tirant d’eau au même endroit.

Les résultats de la simulation en régime transitoire permettent de consulter toutes les valeurs des résultats à tout moment données dans l’intervalle de temps de la chronique de crue. Les valeurs nécessaires pour faire le calage sont les hauteurs d’eau. Pour la crue de 2007 à Mulhouse, l’hydrogramme disponible date entre le 07 Août 2007 à 12 h et le 11 Août 2007 à 15 h, il est à pas de temps horaire et le pic de crue était le 09 Août 2007 à 11h.

Des photos témoins ont été prises de près par la commune, elles montrent la hauteur d’eau dans la rivière Ill. Une photo est bien identifiée, elle date de 09 Août 2007 à 16 h à l’entrée du canal couvert du centre ville. Le tirant d’air au niveau du pont est de 0,17 m, c’est la valeur qu’il faut caler avec la valeur de tirant d’eau au même endroit dans le modèle.

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Figure 15 : Calage de hauteur d'eau à l’entrée du canal couvert.

Après plusieurs simulations avec différentes valeurs du coefficient de Manning Strickler, la valeur n retenue est 0.037 d’où la rugosité est de 27. Cette valeur correspond à une rivière dont la direction de l’écoulement présente des virages et dont les lits mineurs présentent des petits encombrements comme les plantes et végétales. Cette valeur semble cohérente en regardant l’allure de l’Ill observée sur terrain. Avant l’obtention de cette valeur, l’expérience de la connaissance du terrain a fait rapprocher les valeurs entre 0.035 et 0.04, ceci facilitait la réduction d’une valeur proche de ce coefficient pour bien le caler.

6) Apport de la modélisation pour le diagnostic du risque

L’objectif du diagnostic est de décrire la situation de la ville de Mulhouse en cas de crue centennale. Tous les résultats du diagnostic s’obtiennent par simulation de HEC – RAS dont le modèle est l’image de la situation réelle après le calage. Avec l’intégration des hydrogrammes des crues de PRETHY, on suppose que les résultats obtenus de la simulation correspondent à l’état de la ville parce que ceux-ci résultent de l’ensemble des historiques de hydrogrammes des crues et du calage du modèle.

Pendant le diagnostic, les simulations se font en régime transitoire, qui est beaucoup plus réaliste en termes de variation de débit dans le temps et de la vitesse d’écoulement dans le cours d’eau. Les simulations sont lancées indépendamment avec différents scénarios de passage de crue dans la ville de Mulhouse, crue centennale dans l’Ill seulement et ensuite crue centennale à la fois dans l’Ill et dans la Doller. Les résultats les plus intéressants pour cette étude sont les débits et les hauteurs d’eaux dans la rivière à tous les instants de la crue, les autres résultats sont pour les vérifications et la validité de tout l’ensemble des résultats, par exemple le nombre de Froude pour vérifier le régime de l’écoulement de l’eau (fluvial ou torrentiel) dans quelques endroits de la rivière.

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6.1) Crue centennale dans l’Ill

L’Ill est la rivière principale qui passe au centre de la ville de Mulhouse, le premier scénario est donc la simulation du modèle avec la crue centennale seulement dans cette rivière et une crue intermédiaire dans la Doller. La simulation en régime transitoire se fait alors avec la chronique de la crue centennale dans l’Ill et un peu de débit dans la Doller.

Le débit d’écoulement dans la rivière atteint 285 m3/s à l’entrée du canal couvert (valeur déduite du résultat HEC – RAS). Les débordements vers le centre ville se situent en amont du canal couvert et s’élargissent sur une centaine de mètres avant l’entrée du canal. Par ailleurs tous les autres ouvrages sont tous en charges mais ne débordent pas.

Figure 16: Localisation de débordement vers la ville de Mulhouse

Ces images montrent la répartition de l’eau dans le centre de la ville de Mulhouse lors de la crue centennale dans l’Ill. Le canal couvert commence à être en charge à un débit d’environ de 255 m3/s (simulation HEC – RAS) et deux heures avant la pointe de crue centennale, la hauteur d’eau en amont continue à augmenter jusqu’à l’atteinte de la pointe du débit. L’altitude des bords de la rivière en amont du canal est quasiment le même que celui du canal couvert, donc une fois que le pont est en charge, l’eau commence à sortir au niveau des berges et rejoint les niveaux bas à l’extérieur. Le débit maximal de l’eau déversée qui part du canal couvert vers la ville atteint jusqu’à 15 m3/s et s’étend sur une grande surface. Le déversement dure environ quatre heures.

Pour la détermination de la hauteur d’eau dans la ville, un maillage est construit au niveau du débordement. L’eau est prise par un déversoir latéral de l’Ill et suit la pente du terrain naturel rejoignant l’Ill en amont de la ville. On considère que les eaux déversées reviennent dans l’Ill après avoir traversé la ville de Mulhouse, la hauteur d’eau varie alors entre 0.1 et 1 m selon l’altitude du terrain.

A la sortie du canal couvert jusqu’à la confluence avec la Doller, l’Ill ne présente pas de débordement mais le niveau de l’eau dans le lit majeur est important et tous les ponts sont presque en charge. Ceci signifie que les risques de débordement se trouvent plutôt en amont du canal couvert, et explique la non – capacité du canal couvert à évacuer la crue. Toutefois,

Débordement vers la ville

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en cas de débits flottants d’embâcles est élevé et les débordements pourraient se produire à tout moment.

On voit aussi sur les images qu’après la confluence, lorsque la Doller rejoint l’Ill, la hauteur d’eau est importante, couleur bleue foncée sur la figure 17. Il y a des digues sur les deux berges de cet endroit, mais la rupture de ces digues pendant une grande crue risque d’inonder aussi une grande partie de la zone qui représente des centaines d’habitations.

Figure 17: Zones inondées après extrapolations de ArcGIS

6.2) Crue centennale dans la l’Ill et dans la Doller

La présence à la fois des crues centennales dans les deux rivières est un scénario extrême qui a une influence sur les hauteurs d’eau dans l’Ill à l’amont de la confluence.

En effet, la charge de l’Ill au niveau de la confluence est beaucoup plus élevée dans ce scénario que dans le scénario précédent. Ceci s’explique par le fait que la charge de la Doller en crue centennale est plus importante que celle de l’Ill également en crue centennale. Donc la charge dans l’Ill rejoint la charge de la Doller pour avoir une surface plane à la sortie de la confluence, soit l’Ill efflue moins jusqu’à l’atteinte de la même charge que la Doller, soit une partie des effluents de la Doller remonte dans l’Ill pour compenser sa charge.

La différence de débit à la confluence, entre les deux scénarios, atteint jusqu'à 19 m3/s. Il est évident alors que l’on trouve une différence de hauteur d’eau dans les parties aux alentours de la confluence dont voici le résultat de la simulation dans HEC – RAS. Par contre après la simulation, aucun débordement supplémentaire n’est trouvé dans le lit majeur de l’Ill à Mulhouse.

L’effet de remous est dû aussi à la forme géométrique de l’Ill dont la pente au près de la confluence est plus faible à celle de la Doller, d’où le retour d’eau vers la ville de Mulhouse lorsque la crue de la Doller est importante.

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Figure 18 : Différence de hauteur d'eau dans l’Ill entre les deux scénarios de crues

Sur cette figure, la première ligne en dessus est la hauteur d’eau dans l’Ill quand les deux rivières présentent les deux leurs hydrogrammes de crues centennales, et la ligne en dessous est la hauteur d’eau lorsque seulement l’Ill est simulée avec la crue centennale. On voit que la différence de hauteur d’eau s’arrête à la sortie du canal couvert, le remous ne remonte pas plus à l’amont que la sortie du canal couvert. Le canal est déjà en charge à la sortie pour le premier scénario d’où aucun débit supplémentaire ne peut être ajouté et que la charge reste constant. En tous cas les niveaux d’eau restent inférieurs aux niveaux des bords des berges donc pas de débordement après la sortie du canal couvert.

Ce résultat montre que la présence de la crue centennale seule dans la Doller n’entraîne pas de débordement dans l’Ill en amont du canal couvert, l’influence du débit supplémentaire de la Doller commence à la sortie du canal couvert. On peut donc conclure que la présence de la crue centennale dans la Doller n’entraîne pas plus de débordement de l’Ill vers la ville de Mulhouse tant que le débit maximal de la Doller en crue centennale est encore inférieur à celui de l’Ill.

7) Répartition de l’eau

L’étude de la répartition de l’eau débordée au centre de la ville de Mulhouse se fait en utilisant un autre calcul à 2 dimensions grâce au logiciel gratuit river2D. C’est un logiciel de modélisation développé par des ingénieurs de l’Université d’Alberta au Canada. Il est gratuit et peut être utilisé pour faire une simulation en deux dimensions.

Les valeurs topographies relevées dans ArcMap sont des points, elles sont calculées et géoréférencé de la couches MNT en utilisant les extensions 3D et spatial Analyst. De l’ArcGIS les coordonnées et les altitudes sont stockées dans un fichier de base de données BDF III et converti en fichier BED pour pouvoir être exploitable dans le logiciel River 2D.

River 2D est un logiciel de modélisation bidimensionnel. Il permet de faire la simulation en régime permanent pour un terrain qui ne présente pas des ouvrages spéciaux, comme les

Confluence avec la Doller Canal couvert

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buses souterrains. Il consiste à déterminer les hauteurs d’eau et les directions de l’écoulement sur une surface plane. La géométrie du modèle numérique est caractérisée par une topographie triangulaire.

La manipulation du logiciel se fait en utilisant trois étapes d’applications :

> R2D_Bed : une application permettant la limitation de la zone d’étude, le zonage en fonction de leur rugosité et leur altitude, elle relie les points en triangle et donne une altitude moyenne pour chaque triangle;

> R2D_Mesh : une application pour faire le maillage du terrain en fonction des triangles obtenus dans l’application BED et la largeur de maille préféré ;

> River2D : une application pour lancer le calcul de la simulation et ensuite la consultation des résultats. On entre les conditions aux limites dans l’interface de cette dernière application.

Le maillage d’un terrain dans la deuxième étape consiste à discrétiser la zone d’étude en plusieurs triangles équilatéraux, chaque maille est représentée par un nœud. L’altitude de chaque nœud est obtenue par l’interpolation entre les trois points de l’extrémité, les altitudes des points intermédiaires et leurs distances. Donc plus la largeur des mailles est petite plus la valeur de l’altitude de chaque nœud est précise.

Le logiciel sert pour déterminer le mouvement de l’écoulement de l’eau dans la ville de Mulhouse en cas de débordement de la crue centennale. La zone dans le modèle est limitée aux zones inondées obtenues de la simulation HEC-RAS, et le débit injecté correspond au débit de débordement en amont du canal couvert soit 15 m3/s.

La zone d’étude est très étendue, le logiciel river 2D n’est pas capable de lancer une simulation avec un nombre de nœuds supérieur à 15 000. Le maillage dans le modèle a donc une résolution large pour diminuer le nombre de nœuds à simuler. Par conséquent la topographie n’est pas bien précise par rapport celle de la base de données MNT, mais les résultats permettent de localiser les zones les plus touchées après le passage de la crue centennale. Elles se trouvent proches du canal de décharge avec une hauteur d’eau moyenne de 0.60 m.

La zone inondée s’étend jusqu’à l’aval de la ville vers des nouveaux bassins de rétention, dont historiquement c’est l’ancien tracé de l’Ill avant la date de 1876 quand les l’aménagement sur la ville de Mulhouse n’était pas encore faite (source Conseil Général de Haut Rhin).

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Figure 19: les zones les plus touchées de la ville de Mulhouse

8) Valorisation de la modélisation sur le dimensionnement des ouvrages

En résumé, les risques de débordements se trouvent avant l’entrée du canal couvert. Evidement les ouvrages de protections pour limiter le débit entrant au canal devra se trouver en amont du canal couvert. La construction du modèle permet de localiser ces lieux de débordements ainsi que la valeur des débits déversés.

Pendant la simulation en régime transitoire du modèle, avec la crue centennale dans l’Ill, on constate que le débordement commence 2 heures avant la pointe de crue. Plusieurs débordements sont constatés si on rappelle que juste en amont du canal couvert il y a 15 m3/s qui sortent vers la ville, par ailleurs les autres débordements sont un peu plus en amont.

Entre 255 m3/s le débit dont le canal couvert est en charge et 285 m3/s le débit de pointe de la crue centennale de l’Ill, la valeur à écrêter de la pointe est de l’ordre de 30 m3/s qui fait diminuer la hauteur d’eau à l’entrée du canal couvert de 0.45 m. C’est le débit que le nouvel ouvrage doit évacuer pour qu’il n’y ait plus de débordement vers la ville de Mulhouse lors d’une crue centennale.

Figure 20: Différence de hauteur d'eau avant et après la prise effectuée par le chenal

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Partie IV Dimensionnement des ouvrages de Génie civil

1) Le choix du projet

Les résultats du diagnostic montrent que les débordements qui inondent la ville de Mulhouse se trouvent avant l’entrée au canal de décharge ou le canal couvert. Ceci indique que tous les ouvrages de protection devront se trouver en amont de la ville. La présence d’un canal proche laisse surprendre que l’écrêtement des débits de crues de l’Ill vers le canal de Rhône au Rhin est la solution plus abordable pour limiter le débit entrant au canal couvert à Mulhouse. Par rapport à l’occupation des sols de la commune de Mulhouse, les ouvrages de retentions semblent inadaptés surtout que le volume d’eau à retenir est important environ 350 000 m3. D’où la construction d’un canal de liaison, ou chenal, reliant l’Ill avec le canal du Rhône au Rhin pour rejoindre le Bief de Niffer est envisageable, si non il faut augmenter les dimensions du canal de décharge pour permettre aisément l’évacuation des crues de l’Ill (crue centennale).

2) Objectifs et contraintes du projet

2.1) Objectifs

L’objectif principal de ce stage est de dimensionner le chenal de liaison ainsi que les ouvrages à mettre en place pour pouvoir évacuer au minimum 30 m3/s.

* Création d’un canal de liaison qui permettre le déversement d’un débit de l’Ill à 30m3/s vers la branche Nord du canal du Rhône au Rhin en aval de l’écluse 39N,

* Mise en place de vannes pour régler le débit qui va vers le canal du Rhône au Rhin.

* Remise en place de toutes les voies circulables pour ne pas perturber la connexion entre les voies internes existantes.

En ce qui concerne la réception des débits en excès, la Voie Navigable de France, qui assure l’exploitation du bief de Niffer et du canal du Rhône au Rhin, a confié au bureau d’études HYDRATEC, la réalisation d’une étude hydraulique détaillée sur :

- D’une part, le fonctionnement hydraulique actuel du Bief de Niffer et de ses entités fonctionnelles (faisant état des lieux),

- D’autre part, le fonctionnement du bief dans le cadre du l’écrêtement des crues de l’Ill selon les hypothèses évoquées plus haut.

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2.2) Contraintes

Plusieurs projets sont en parallèle avec la réalisation du nouveau chenal. Les différentes contraintes sont alors :

- Présence d’un terrain de Baseball clôturé récemment dont une partie de la surface est touchée par le tracé provisoire ;

- Des terrils et des tas de déchets industriels sont stockés avec une grande hauteur, ce sont des sols pollués et il est fortement probable de trouver un risque d’infiltration dans le sol vers le nouveau chenal si le chenal coupe les terrils, s’il amène les eaux polluées vers les autres canalisations ;

- Un projet de construction d’une nouvelle voie ferrée est prévu pour la SNCF et d’une nouvelle route pour la commune

Tous ces paramètres jouent sur le tracé du nouveau chenal car ils se trouvent au même emplacement. En plus, par raison de sécurité, le Conseil Général de Haut Rhin propose une pente de 1:2 pour tous les talus du chenal, la largeur en surface de ce futur canal peut prendre alors beaucoup d’espace en haut de talus en fonction de la profondeur du chenal. De ce fait, il faut étudier plusieurs variantes entre des talus à pente 1:2 et des murs de soutènement avec protections.

3) Les études préalables

Des propositions ont été déjà étudiées par d’autres bureaux d’études pour prévenir les grandes crues dans l’Ill, comme l’agrandissement des dimensions du canal de décharge. Cette proposition est largement impossible et a été abandonné vu la structure du canal daté plus de 100ans et que les aménagements ne sont pas possibles à exécuter.

Des études de faisabilité du projet sur par la capacité de réception du Bief de Niffer sont déjà effectuées par des bureaux d’étude avant cette étude hydraulique.

- SOGREAH en 2005 a étudié que le délestage d’une partie des crues de l’Ill vers le bief de Niffer, via le canal du Rhône au Rhin, serait à hauteur de 30m3/s sur une durée minimale de 6 heures.

- HYDRATEC en 2008 a fait l’étude de capacité de réception du grand canal Bief de Niffer et ce dernier peut recevoir un débit 30m3/s pendant 4 heures.

3.1) Le Canal du Rhône au Rhin

Le canal du Rhône au Rhin est un canal de gabarit Freycinet (péniches de moins de 300 tonnes), il traverse l’agglomération de Mulhouse dans le sens sud-Ouest / Nord-Est. Il est en parallèle et de même sens d’écoulement que l’Ill pour rejoindre la section à grand gabarit (Bief de Niffer) au Nord-Est. Le bief concerné par la présente étude se situe entre les écluses 39N à l’amont et 41N à l’aval. Il mesure environ 3 km et se prolonge jusqu’au bief de Niffer,

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à l’aval de l’écluse 41N, par un tronçon qui a été aménagé en grand gabarit en même temps que la mise en service de l’écluse principale de Niffer en 1995. Le port de Mulhouse qui abrite plusieurs plaisanciers, se situe sur ce bief 39N-41N du canal du Rhône au Rhin à environ 1.3 km à l’aval de l’écluse 39N.

3.2) Le Bief de Niffer

Le bief de Niffer est un canal de navigation à grand gabarit d’environ 16 km de long situé entre l’Ill et le grand canal d’alsace. Une de ces extrémités se trouve à l’aval du canal du Rhône au Rhin à l’écluse 41N. Il est alimenté par le canal de Huningue à son extrémité sud et par le canal du Rhône au Rhin à son extrémité nord-ouest. Le bief de Niffer alimente quelques canaux voisins dans le sens des PR croissants (de Niffer à Mulhouse).

Figure 21: les différentes canalisations voisines de l'Ill (source HYDRATEC)

Le bief de Niffer est géré et exploité par les Voies Navigables de France. Il est très fréquenté par les péniches commerciales pour les transferts d’hydrocarbures et de granulats en destination du port de l’Ile Napoléon qu’il dessert (plusieurs milliers de passages par an). Il comporte deux importantes écluses et une station de pompage, munie d’une vanne de fond, qui le relient au Grand Canal d’Alsace. L’écluse principale de Niffer (190 m de long par 12 m de large) est réservée au passage des convois importants. Elle est occasionnellement utilisée pour les petits bateaux et les plaisanciers. L’écluse secondaire de Niffer (85 m de long par 12m de large) est consacrée au passage des bateaux de taille plus petite ou est utilisée en secours lors d’interventions de maintenance sur l’écluse principale.

D’après les études d’HYDRATEC en 2008, le Bief de Niffer est largement suffisant pour recevoir des débits supplémentaires, proprement une valeur constante de 30 m3/s de l’Ill pour une durée maximum de 4 heures. Ceci complète les études hydrauliques en partie II car la

Bief de Niffer

Futur canal de liaison

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durée de débordement de l’Ill pendant l’événement des crues centennales est environ 4h dont le débit de pointe de déversement est de 31 m3/s ;

4) Etudes des variantes

D’après les études décrites ci-dessus, l’écrêtement de l’Ill vers le Bief de Niffer à travers le canal du Rhône au Rhin est techniquement faisable. La position et la forme du chenal ainsi que les dimensions restent à étudier pour une harmonie entre les différents projets en cours de la Commune Urbaine de la ville de Mulhouse.

Le branchement du nouveau chenal commence à partir d’un bras mort de l’Ill, quelques centaines de mètre en amont du canal couvert. La prise d’eau vers ce chenal se fait par la mise en place de vannes et rejoint après le canal de Rhône au Rhin. Elles s’ouvriraient lorsque le canal de décharge commence à être en charge, et se fermeraient des que la charge à l’entrée du canal diminuera et ne sera plus en charge.

Figure 22: Tracé du nouveau chenal vers le canal du Rhône au Rhin

Pendant la simulation HEC – RAS, Trois variantes sont étudiées pour évacuer le débit en excès de l’Ill vers le canal de Rhône au Rhin. Pour chaque type de variante de chenal, l’ouverture de la vanne reste constante mais les dimensions et les formes des profils du chenal sont variées. L’ouverture se fait avec 2 vannes 5 m x 2,5 m, soit une ouverture maximale de 25 m², cette ouverture est suffisante pour évacuer un débit maximal 30 m3/s soit une vitesse moyenne de 1,2 m/s.

- Première variante : chenal avec deux talus à pente 1:2 sur les deux cotés,

- Deuxième variante : chenal avec un mur de soutènement d’un côté et un talus à pente 1:2 sur l’autre coté ;

- Troisième variante : un chenal rectangulaire.

Ill

Canal du Rhône au Rhin

Futur chenal

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Un seul type de variante sera mis en place, le choix de cette variante est déduit en faisant une analyse multicritère entre quelques paramètres qu’engendrent toutes les variantes.

Une ouverture est déjà prête sur le canal du Rhône au Rhin pour accueillir le futur chenal. L’altitude du fond de cette ouverture 237.3 m est la référence pour la construction du nouveau chenal. Il est préférable de garder l’écoulement fluvial tout au long du chenal, ainsi que la stabilité de la vitesse moyenne de l’eau entre 1,5 et 2 m/s. Tous ces paramètres sont retrouvés dans les résultats de HEC – RAS et l’ajustement des valeurs se fait en lançant la simulation pour différente valeur de la pente. La pente moyenne à conserver est alors à l’ordre de 4%0, d’où la profondeur moyenne du chenal est égale à 5m après terrassement. En conséquence, ces paramètres entrainent une différence d’altitudes à la sortie de la vanne dont la hauteur de chute est de 1,30 m. En plus cette hauteur de chute est nécessaire pour conserver l’ouvrage dénoyé lors de la prise d’eau.

4.1) Dimensionnement de la largeur du chenal

Les dimensionnements des largeurs sont obtenus en faisant simuler le modèle avec le branchement du nouveau chenal dans HEC – RAS. Les dimensions retenues sont les valeurs minimales permettant d’évacuer un débit maximal au moins 30 m3/s en crue centennale et ne faisant plus déborder en amont du canal de décharge vers le centre de la ville. Les ouvertures des vannes sont fixées à 2 fois 5 x 2,5 m, les dimensions des profils sont variées pour ajuster les valeurs. Les débits sont sensibles et varient pour une même hauteur d’eau mais avec différentes dimensions des profils.

Pour chaque variante on utilise la même chronique de crue centennale, même caractéristique de vannes mais avec différentes valeurs de rugosités, plus rugueuse pour le chenal en talus et moins rugueuse pour le chenal en béton.

Les dimensions des profils obtenus de HEC – RAS sont reprises dans le tracé du futur chenal en fonction de la largeur maximale du plan d’eau dans le chenal et la profondeur du fond de chenal. Les rayons minimaux de virage devront supérieurs ou égaux à six fois la largeur de plan d’eau maximal pour conserver un écoulement stable.

- Première variante : chenal avec deux talus à pente 1:2, la largeur au fond du canal est égale à 6 m, d’où la largeur en haut de talus atteint en moyenne 26 m. Avec le passage piéton sur les deux bords des talus le long du chenal, la largeur finale occupe environ 30 m. La hauteur d’eau maximale est de 2.6 m d’où la largeur maximale du plan d’eau est de 13 m et le rayon minimum pour le virage est de 78 m.

- Deuxième variante : chenal avec un mur de soutènement d’un côté et un talus à pente 1:2 sur l’autre coté, la largeur au fond du canal est égale à 6 m, d’où la largeur en haut de talus atteint en moyenne 20 m. Avec le passage piéton sur un talus le long du chenal, la largeur finale occupe environ 22 m. La hauteur d’eau maximale est de 2.8 m d’où la largeur maximale du plan d’eau est de 13 m et le rayon minimum pour le virage est de 50 m.

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- Troisième variante : c’est un chenal rectangulaire dont la largeur est égale à 8 m, les deux côtés sont des murs de soutènements en bétons munis des grilles de protections pour raison de sécurité. La hauteur du plan d’eau maximal est de 2.8 m mais la largeur maximale du plan d’eau reste 8 m d’où le rayon minimum pour le virage est de 48 m.

4.2) Positions de chaque variante

Les positions de chaque type de variante sont en fonction de la largeur au fond de chenal, le rayon de virage et les positions des nouveaux projets sur le terrain. Un fichier autocad (autocad : logiciel de dessin) à l’échelle, avec les positions de tous les projets, est disponible au sein du département. Les positions de chaque variante sont tracées en économisant la place et en gardant les règles de tracées citées ci-dessus.

Pendant le tracé de la première variante, la largeur de l’ouverture du haut de talus peut être insérée entre le terrain de Baseball et le terril. L’espace est donc largement suffisante que la commune craint pendant la présentation du tracé provisoire. Le plan des autres projets n’était pas encore défini et surtout l’espace qu’occupe le terrain de Baseball a été touché. Alors, l’étude de la deuxième variante de tracé avec un mûr en béton d’un côté et un talus de l’autre côté n’est donc plus nécessaire car l’occupation de sol permet la première variante et elle demande un double travail pendant l’exécution en faisant à la fois le talus et le mur en béton.

Figure 23 : Tracé du chenal avec les talus (gauche) et chenal en mur (droite).

On rappelle que chaque variante devra garder la connexion des voies internes sur le terrain soit en déviant les voies soit en mettant une passerelle. Il existe deux voies sur le terrain, une route pour les camions et une petite piste pour les piétons. La plus pratique pour le tracé et aussi pour l’exécution est de mettre un pont pour relier la route pour les camions et dévier la piste pour les piétons en suivant le tracé des variantes.

Terrain de Baseball

Terril

Projet SNCF

Projet Route

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4.3) Dimensionnement du dissipateur d’énergie

Un dissipateur d’énergie est un ouvrage nécessaire après un seuil ou une chute d’eau. Il sert à dissiper l’énergie dans l’eau pour éviter l’érosion à l’aval. La longueur du dissipateur d’énergie est égale à la longueur du ressaut hydraulique en aval du seuil. Un ressaut hydraulique est la transition entre un écoulement torrentiel et un écoulement fluvial.

La longueur d’un ressaut est en fonction du débit de chute, la largeur de la crête aval, les tirants d’eau amont et aval de la chute et enfin la rugosité.

LR = 6 (Y2 – Y1)

Avec Y1 et Y2 sont respectivement les tirants d’eau avant et après le ressaut. Les calculs sont détaillés en annexe.

Pour la première variante de chenal avec des talus sur les côtés, la longueur du ressaut est de 5,50m, et 6m pour la troisième variante chenal en mûrs rectangulaires. Après le ressaut, un enrochement sec sera mis en place pour la protection en aval, la longueur de l’enrochement et 4 m et 5 m pour les deux variantes.

4.4) Dimensionnement du parafouille

Les parafouilles sont des rideaux de protections ancrés sous le terrain pour protéger l’affouillement par fuite d’eau souterraine le long de l’ouvrage. Ils sont construits avec des palplanches ou des rideaux en bétons pour garder l’étanchéité.

Les dimensionnements des parafouilles se font en vérifiant les règles de LANE qui dit :

CH ≤ ∑LV + 1/3 LH.

Avec ∑LV : Sommes des distances des cheminements verticaux LH : distance de cheminement horizontal parcourue par l’eau sous l’ouvrage. H : charge hydrostatique totale C : coefficient dépendant de la nature de sol.

H = la charge au niveau de la vanne ou au niveau de la crête ; 2,14 m C = 2,5 correspond à des sols galets, pierres et graviers d’où on a CH = 4,60 m.

La vérification commence en considérant que l’ouvrage tient sans parafouille.

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Figure 24: Sens de l'écoulement souterrain

* LV est alors la hauteur de la chute au niveau du seuil LV1 égale à 1.30 m plus la hauteur entre la fondation du dissipateur et le fond du chenal LV2 égale à 1,8 m. * LH est la longueur du ressaut du dissipateur plus la longueur horizontal du seuil plus la longueur de la protection avant le seuil.

La longueur du dissipateur d’énergie est égale à 8,50 m pour le chenal en talus et 7m pour le chenal en mûr (cf. annexe.7) ; la pente de seuil est de 1 :1 d’où la longueur du seuil est aussi égale à 1,30 m ; la longueur de la protection en amont est 2 m et enfin la longueur du pont et de 6,5 m.

Pour la première variante ∑LV + 1/3 LH = 9,20 m Pour la troisième variante ∑LV + 1/3 LH = 8,70 m.

Pour les deux cas ∑LV + 1/3 LH sont tous supérieurs à CH qui signifie que il n’y a pas de risque d’affouillement entre le seuil et l’écoulement en aval.

Figure 25: Profil en long du seuil

4.5) Estimations de prix

Les prix estimés pour faire l’analyse multicritère sont les prix de chaque variante sans les ouvrages externes c'est-à-dire le chenal proprement dit après la chute de la vanne. Chaque variante a ses caractéristiques et ses moyens de procéder à l’exécution.

LV1

LV2

LH

Pont

Vanne Seuil

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Tableau 3: Estimation des prix entre les deux types de chenal

Désignation Variante 1 Variante 2Installation de chantier 8,000.00 €.HT 15,000.00 €.HTTerrassement en deblais 96,200.00 €.HT 38,280.00 €.HTTerrassement en remblais 0.00 €.HT 66,750.00 €.HTChargement et évacuation des déblias en excédentaire 2,405,000.00 €.HT 957,000.00 €.HTPose de géotextile 159,600.00 €.HT 0.00 €.HTPose d'enrochement dissipateur 1,000.00 €.HT 1,600.00 €.HTBéton dosé à 350 2,475.00 €.HT 364,350.00 €.HTArmature en acier 4,290.00 €.HT 631,540.00 €.HTCoffrage soigné 0.00 €.HT 360,000.00 €.HTMise en œuvre de semence de prairie 3,344.00 €.HT 3,916.00 €.HTVanne 50,000.00 €.HT 50,000.00 €.HTPont 30,000.00 €.HT 20,000.00 €.HT

Total HT 2,759,909.00 € 2,508,436.00 €TVA 19.6% 540,942.16 € 491,653.46 €Total TTC 3,300,851.16 € 3,000,089.46 €

- Première variante : la majorité de travaux est le terrassement en déblais à évacuer plus le problème de pollution qui oblige à les mettre en décharge. Après le terrassement on propose la mise en place de géotextile le long du chenal pour protéger l’infiltration avant l’enherbement des talus.

- Troisième variante : les travaux sont diversifiés, une partie de terrassement de déblais à évacuer, une partie de terrassements déblais à remblayer à l’extérieur de l’emprise du chenal après la mise en place des murs, la construction des murs en bétons sur les deux côtés et le fond de chenal.

4.6) Autre critères

Les autres critères pour faire l’analyse multicritère sont :

Les aspects paysagers : mettre en valeur les paysages de l’environnement pour chaque type de chenal par rapport à l’occupation des sols lors de la réalisation de l’ouvrage.

- Première variante : les talus et les hauts de talus sont enherbés après le terrassement, l’espace occupé par le chenal est important.

- Troisième variante : l’espace occupé par le chenal est inférieur par rapport à la première variante, pas de plantation sur les murs mais possibilité d’enherbement sur les hauts des talus.

L’efficacité des variantes : est le critère par rapport à la résistance de chaque type de variante face à la fréquence d’utilisation de chenal (entretien et résistance de chaque type de variante).

La sécurité des tiers : le dernier critère pour l’analyse multicritère qui prend en compte le public et les habitants aux alentours du nouveau chenal. L’estimation de la sécurité se fait par

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rapport à la pente des talus pour la première variante et la protection des murs pour la deuxième.

5) Analyse multicritère

L’analyse multicritère permet de d’effectuer un choix entres des solutions possibles à partir des différents critères. Il se fait grâce à l’utilisation du logiciel Electre III développé par l’Institut d’Informatique de l’Université Technique de Poznan (en Pologne), un logiciel de calcul qui fait le classement et aide à choisir une variante d’un projet. Il s’agit de quantifier les critères en fonctions des variantes et attribuer le seuil entre l’indifférence et la préférence pour chaque critère. Les critères cités précédemment auront alors des poids en fonction des besoins du Conseil Général. Le Conseil Général du Haut Rhin, qui s’intéresse au financement, souhaite mettre beaucoup plus de poids, de préférence le moins chère, au prix de l’ouvrage par rapport aux autres critères qui partageront les restes.

Le tableau de performance contient la quantité de chaque critère, la quantification du premier critère (le prix) est déduite de la valeur de million d’euros de chaque type de variante. Le deuxième critère est l’efficacité de la variante, il est quantifié par rapport à la quantité de mètre cube à évacuer dans le chenal. Le troisième critère est l’aspect paysager, il est quantifié par rapport à la surface enherbée sur le nouveau terrain. Le quatrième critère est l’efficacité qui est quantifié moitié pour la durée de vie et la capacité d’évacuation. Le dernier critère est la sécurité des tiers, il est quantifié par rapport à ses dispositions de sécurité ; pente 1 /2 pour le talus et des grilles pour le chenal en mur.

Tableau 4: tableau de performance

Critère 1 Critère 2 Critère 3 Critère 4 Critère 5 A0001 (talus) 3300 4000 70 50 40 A0002 (mur) 3000 1900 30 50 60 Poids 0.5 0.15 0.1 0.1 0.15 Critère Descendant Descendant Ascendant Ascendant Ascendant

Selon le logiciel avec les différents paramètres intégrés, le choix est orienté vers la construction d’un chenal avec les murs en bétons sur les deux côtés. Le résultat est plus réaliste pour le Conseil Général sur le coût de financement qui s’approche du montant du budget sacré pour la protection de la ville de Mulhouse contre l’inondation.

Figure 26: classement des variantes

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Conclusion

Le diagnostic de la situation de la ville de Mulhouse est basé sur la construction d’un modèle hydraulique et une simulation en régime transitoire. Ceci permet de localiser les débordements et de déterminer le débit sortant du canal vers la ville. Il confirme aussi l’insuffisance des dimensions du canal couvert au centre de la ville pour évacuer une grande crue au dessus de 255m3/s, a crue centennale étant estimée à 285m3/s.

La ville de Mulhouse serait noyée avec une hauteur d’eau moyenne de 0.75m lors du passage de la crue centennale, et étendue sur une grande surface. Le chenal de décharge est la seule solution adaptée à l’occupation du sol de la ville de Mulhouse pour la protéger contre la crue centennale. Il relierait l’Ill avec le canal de Rhône au Rhin avant de joindre le grand canal, Bief de Niffer. Le chenal est dimensionné pour pouvoir écrêter un débit maximal de 30m3/s de l’Ill. Il serait muni d’une vanne et construit en béton pour un montant de 3millions d’euros environ.

La protection de la ville de Mulhouse contre les crues est limitée par le passage de la crue centennale dans la ville. Cette limite est due à la durée de vie d’un ouvrage et sa fréquence d’utilisation.

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Bibliographie

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Annexe

Annexe N°1 : Les 10 hydrogrammes forts de l’historique de crue. ........................................ 62 Annexe N°2 : Les hydrogrammes des crues .......................................................................... 63 Annexe N°3 : Equation de calcul de HEC – RAS.................................................................. 65 Annexe N°4 : Quelques de HEC – RAS ................................................................................ 66 Annexe N°5 : Dessin au niveau de la prise d’eau du chenal .................................................. 68 Annexe N°6 : Métré et prix détaillé du nouveau chenal......................................................... 70 Annexe N°7 : Dimensionnement des dissipateurs d’énergie pour les deux variantes ............. 71

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Annexe N°1 : Les 10 hydrogrammes forts de l’historique de crue.

De l’Ill

De la Doller

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Annexe N°2 : Les hydrogrammes des crues

De l’Ill Heure Hydr. Normé Centenale cinquentenal trentenal vingt decenal

-21 0.205 58.835 52.685 47.97 43.87 38.335-20 0.21 60.27 53.97 49.14 44.94 39.27-19 0.22 63.14 56.54 51.48 47.08 41.14-18 0.23 66.01 59.11 53.82 49.22 43.01-17 0.245 70.315 62.965 57.33 52.43 45.815-16 0.25 71.75 64.25 58.5 53.5 46.75-15 0.275 78.925 70.675 64.35 58.85 51.425-14 0.3 86.1 77.1 70.2 64.2 56.1-13 0.33 94.71 84.81 77.22 70.62 61.71-12 0.35 100.45 89.95 81.9 74.9 65.45-11 0.37 106.19 95.09 86.58 79.18 69.19-10 0.4 114.8 102.8 93.6 85.6 74.8-9 0.425 121.975 109.225 99.45 90.95 79.475-8 0.46 132.02 118.22 107.64 98.44 86.02-7 0.5 143.5 128.5 117 107 93.5-6 0.57 163.59 146.49 133.38 121.98 106.59-5 0.63 180.81 161.91 147.42 134.82 117.81-4 0.69 198.03 177.33 161.46 147.66 129.03-3 0.85 243.95 218.45 198.9 181.9 158.95-2 0.95 272.65 244.15 222.3 203.3 177.65-1 0.99 284.13 254.43 231.66 211.86 185.13

Pic 1 287 257 234 214 1871 0.95 272.65 244.15 222.3 203.3 177.652 0.9 258.3 231.3 210.6 192.6 168.33 0.86 246.82 221.02 201.24 184.04 160.824 0.83 238.21 213.31 194.22 177.62 155.215 0.8 229.6 205.6 187.2 171.2 149.66 0.75 215.25 192.75 175.5 160.5 140.257 0.695 199.465 178.615 162.63 148.73 129.9658 0.67 192.29 172.19 156.78 143.38 125.299 0.63 180.81 161.91 147.42 134.82 117.81

10 0.61 175.07 156.77 142.74 130.54 114.0711 0.58 166.46 149.06 135.72 124.12 108.4612 0.55 157.85 141.35 128.7 117.7 102.8513 0.53 152.11 136.21 124.02 113.42 99.1114 0.52 149.24 133.64 121.68 111.28 97.2415 0.5 143.5 128.5 117 107 93.516 0.49 140.63 125.93 114.66 104.86 91.6317 0.48 137.76 123.36 112.32 102.72 89.7618 0.46 132.02 118.22 107.64 98.44 86.0219 0.45 129.15 115.65 105.3 96.3 84.1520 0.43 123.41 110.51 100.62 92.02 80.4121 0.42 120.54 107.94 98.28 89.88 78.5422 0.4 114.8 102.8 93.6 85.6 74.823 0.385 110.495 98.945 90.09 82.39 71.99524 0.38 109.06 97.66 88.92 81.32 71.0625 0.37 106.19 95.09 86.58 79.18 69.1926 0.36 103.32 92.52 84.24 77.04 67.3227 0.355 101.885 91.235 83.07 75.97 66.38528 0.35 100.45 89.95 81.9 74.9 65.4529 0.34 97.58 87.38 79.56 72.76 63.5830 0.33 94.71 84.81 77.22 70.62 61.71

64


De la Doller Heure Hydr. Normé centenal cinquantenal trentenal vingt decenal

-24 0.36 84.6 75.96 69.48 64.08 54.72-23 0.365 85.775 77.015 70.445 64.97 55.48-22 0.355 83.425 74.905 68.515 63.19 53.96-21 0.345 81.075 72.795 66.585 61.41 52.44-20 0.34 79.9 71.74 65.62 60.52 51.68-19 0.34335 80.68725 72.44685 66.26655 61.1163 52.1892-18 0.34 79.9 71.74 65.62 60.52 51.68-17 0.36 84.6 75.96 69.48 64.08 54.72-16 0.38 89.3 80.18 73.34 67.64 57.76-15 0.42 98.7 88.62 81.06 74.76 63.84-14 0.45 105.75 94.95 86.85 80.1 68.4-13 0.5 117.5 105.5 96.5 89 76-12 0.54 126.9 113.94 104.22 96.12 82.08-11 0.59 138.65 124.49 113.87 105.02 89.68-10 0.645 151.575 136.095 124.485 114.81 98.04

-9 0.67 157.45 141.37 129.31 119.26 101.84-8 0.7 164.5 147.7 135.1 124.6 106.4-7 0.74 173.9 156.14 142.82 131.72 112.48-6 0.78 183.3 164.58 150.54 138.84 118.56-5 0.81 190.35 170.91 156.33 144.18 123.12-4 0.85 199.75 179.35 164.05 151.3 129.2-3 0.88 206.8 185.68 169.84 156.64 133.76-2 0.93 218.55 196.23 179.49 165.54 141.36-1 0.98 230.3 206.78 189.14 174.44 148.96

Pic 1 235 211 193 178 1521 0.98 230.3 206.78 189.14 174.44 148.962 0.96 225.6 202.56 185.28 170.88 145.923 0.94 220.9 198.34 181.42 167.32 142.884 0.91 213.85 192.01 175.63 161.98 138.325 0.88 206.8 185.68 169.84 156.64 133.766 0.83 195.05 175.13 160.19 147.74 126.167 0.77 180.95 162.47 148.61 137.06 117.048 0.72 169.2 151.92 138.96 128.16 109.449 0.7 164.5 147.7 135.1 124.6 106.4

10 0.67 157.45 141.37 129.31 119.26 101.8411 0.64 150.4 135.04 123.52 113.92 97.2812 0.6 141 126.6 115.8 106.8 91.213 0.58 136.3 122.38 111.94 103.24 88.1614 0.55 129.25 116.05 106.15 97.9 83.615 0.52 122.2 109.72 100.36 92.56 79.0416 0.48 112.8 101.28 92.64 85.44 72.9617 0.45 105.75 94.95 86.85 80.1 68.418 0.43 101.05 90.73 82.99 76.54 65.3619 0.41 96.35 86.51 79.13 72.98 62.3220 0.39 91.65 82.29 75.27 69.42 59.2821 0.37 86.95 78.07 71.41 65.86 56.2422 0.36 84.6 75.96 69.48 64.08 54.7223 0.35 82.25 73.85 67.55 62.3 53.224 0.34 79.9 71.74 65.62 60.52 51.6825 0.32 75.2 67.52 61.76 56.96 48.6426 0.31 72.85 65.41 59.83 55.18 47.1227 0.295 69.325 62.245 56.935 52.51 44.8428 0.29 68.15 61.19 55.97 51.62 44.0829 0.28 65.8 59.08 54.04 49.84 42.5630 0.27 63.45 56.97 52.11 48.06 41.0431 0.26 61.1 54.86 50.18 46.28 39.5232 0.25 58.75 52.75 48.25 44.5 3833 0.243 57.105 51.273 46.899 43.254 36.93634 0.236 55.46 49.796 45.548 42.008 35.87235 0.229 53.815 48.319 44.197 40.762 34.80836 0.222 52.17 46.842 42.846 39.516 33.74437 0.215 50.525 45.365 41.495 38.27 32.6838 0.208 48.88 43.888 40.144 37.024 31.61639 0.2 47 42.2 38.6 35.6 30.440 0.19 44.65 40.09 36.67 33.82 28.88

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Annexe N°3 : Equation de calcul de HEC – RAS

Les équations utilisées par HEC-RAS pour les modélisations en régime permanent et transitoire sont indiquées ci-dessous. En régime permanent : le calcul de la hauteur d’eau se fait entre deux coupes en travers en résolvant l’équation d’énergie :

Avec : Z1 et Z2 : la cote du lit mineur (m) Y1 et Y2 : la hauteur d’eau (m) V1 et V2 : la vitesse moyenne de l’eau dans la coupe en travers (m/s) a1 et a2 : coefficient de vitesse g : accélération de la gravité (9.81 m.s-2) he : la perte d’énergie entre les sections :

où C est le coefficient de contraction ou d’expansion. En régime transitoire : les calculs de ligne d’eau reposent sur les équations de Saint- Venant 1D :

Les variables utilisées ci-dessus sont : - S, Smin, Smaj : section mouillée totale, du lit mineur et du lit majeur (m²) - Q, Qmin , Qmaj : débit total, du lit mineur et du lit majeur (m 3/s) - xmin, xmaj : distance lit mineur, lit majeur (m) - z : la cote de l’eau (m) - jmin, jmaj : pertes de charge linéaire du lit mineur et du lit majeur (m/m) - g : accélération de la gravité (m/s²) - n : coefficient de Manning - f répartition des débits entre le lit mineur et le lit majeur - Kmin, Kmaj : débitance du lit mineur et du lit majeur (m3/s) - P : périmètre mouillé (m) - R : rayon hydraulique (S/P)

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Annexe N°4 : Quelques de HEC – RAS

Vue en plan de la zone de débordement

Prise d’eau par le nouveau chenal

Canal couvert

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Hauteur d’eau maximal sans et avec le chenal

Prise par le chenal

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Annexe N°5 : Dessin au niveau de la prise d’eau du chenal

Profil en long

Vue à l’entrée de la vanne

Pont

Vanne Seuil

Dissipateur d’énergie

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Représentation du raccord avec le talus (première variante)

Représentation du raccord avec les murs en bétons sur les deux cotés (deuxième variante)

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Annexe N°6 : Métré et prix détaillé du nouveau chenal

Volume de déblai

2 Talus rectangulaire Longueur (m) 370 445 largeur de base (m) 6 8 Pente talus 0.5 0 Hauteur moyenne (m) 5 5 Volume de déblai (m3) 48100 19135 Prix de chenal sans les ouvrages Chenal en mur

Libellé résumé Unité Quantité Prix unitaire HT Montants HT

Installation de chantier, création d'accès, piquetage, signalisation, nettoyage et remise en état des lieux forfait 1.00 15,000.00 €.HT 15,000.00 €.HT

Terrassement en déblais m3 19140.00 2.00 €.HT 38,280.00 €.HTTerrassement en déblais-remblais m3 11125.00 6.00 €.HT 66,750.00 €.HTChargement et évacuation des déblais excédentaires m3 19140.00 50.00 €.HT 957,000.00 €.HTBéton dosé à 350 kg CLK 45 m3 2405.00 150.00 €.HT 360,750.00 €.HTCoffrage soigné m² 9000.00 40.00 €.HT 360,000.00 €.HTArmatures en acier kg 240500.00 2.60 €.HT 625,300.00 €.HTMise en œuvre de semences de prairies sur un sol terreux propre m² 4450.00 0.88 €.HT 3,916.00 €.HT

Total HT 2,426,996.00 € TVA 19.6% 475,691.22 € Total TTC 2,902,687.22 €

Chenal en talus

Libellé résumé Unité Quantité Prix unitaire HT Montants HT

Installation de chantier, création d'accès, piquetage, signalisation, nettoyage et remise en état des lieux forfait 1.00 8,000.00 €.HT 8,000.00 €.HT

Terrassement en déblais m3 48100.00 2.00 €.HT 96,200.00 €.HTChargement et évacuation des déblais excédentaires m3 48100.00 50.00 €.HT 2,405,000.00 €.HTPose de blocs d'enrochements en granit m² 60.00 110.00 €.HT 6,600.00 €.HTGéotextile (berge) m² 10640.00 15.00 €.HT 159,600.00 €.HTMise en œuvre de semences de prairies sur un sol terreux propre m² 3800.00 0.88 €.HT 3,344.00 €.HT

Total HT 2,678,744.00 € TVA 19.6% 525,033.82 € Total TTC 3,203,777.82 €

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Annexe N°7 : Dimensionnement des dissipateurs d’énergie pour les deux variantes

O. Calcul de la charge sur le seuil en amont Largeur du seuil amont (b crête amont) 6.0 m 8.0 m Longueur du seuil amont 5.0 m 5.0 m Coefficient du déversoir (µ) 0.33 0.33 Débit Q 30.0 m3/s 30.0 m3/s

Charge sur le seuil amont (y amont) 2.27 m 1.87 m

Avec Q = b * µ * racine(2g) * h^3/2 d'où h = ( Q / b * µ * racine(2g) )^2/3 I. Calcul du tirant d'eau aval Largeur de la crête aval ( b crête aval) 8.0 m 8.0 m Longueur de la crête aval 1.0 m 1.0 m Pente I à l'aval de cette crête 0.002 m/m 0.002 m/m Tirant d'eau critique à l'aval 2.00 m 2.00 m Tirant d'eau aval (y aval) 1.77 m 1.77 m Diamètre des matériaux (25% plus gros) d75 100 mm 100 mm Coeff de Manning strickler K du fond 27 15 Coeff de Manning strickler K des berges 25 25 Pente des berges ( p berge) 0.5 m/m 0.5 m/m Longueur cumulées des berges ( l berge) 7.9 m 7.9 m Coeff de Manning strickler K 28 28 Surface mouillée S 20.4 m2 20.4 m2 Périmètre mouillé P 15.9 m 15.9 m Rayon hydraulique Rh 1.3 1.3 Vitesse V 1.5 m/s 1.5 m/s Débit Q 30.0 m3/s 30.0 m3/s Vérification du calcul du tirant d'eau Q/Q =1 1.0 1.0 Charge sur le seuil aval (H aval) 1.9 m 1.9 m Côte piezométrique aval 0.6 m 0.6 m

Talus Mur

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II. Dimensionnement du seuil

Côte de la crête amont 0.0 m 0.0 m Delta de hauteur entre la crête amont et le lit aval (m) 1.2 m 1.2 m Delta de hauteur entre les crêtes amont et aval (m) 1.5 m 1.5 m Formation d'un ressaut Pas d'intégration 0.06 m 0.06 m K coursier : 15 15 Pente coursier (h/l) 0.50 m/m 0.50 m/m Hauteur d'eau critique (yc) 1.37 m 1.13 m Charge critique (Hc) 2.05 m 1.69 m Ordonnée du ressaut / crête amont -1.62 m -1.26 m Abscisse du ressaut / crête amont 3.24 m 2.52 m Tirant d'eau avant le ressaut Y1 0.78 m 0.65 m Tirant d'eau après le ressaut Y2 2.19 m 1.81 m Longueur théorique du ressaut 6 ( Y2- Y1) 8.40 m 7.00 m

Profondeur de la cuvette / crête aval (p) 0.600 m 0.200 m Longueur maximale de cuvette préconisée 6.0 m 2.0 m Profondeur de la cuvette / crête amont 2.10 m 1.70 m Longueur de la rampe 4.20 m 3.40 m Longueur de la cuvette 6.0 m 2.0 m Longueur de protection aval en enrochements secs 3.0 m 4.1 m

MEMOIRE DE FIN D'ETUDES

Diplôme(s) : INGENIEUR

Spécialité : Gestion Durable des Eaux dans les Territoires

Auteur : ANDRIAMBANONA Ange Marina Année : 2009

Titre : Projet d’écrêtement de l’Ill

Protection de la ville de Mulhouse contre la crue centennale

Nombre de pages : texte : 55 annexes : 12 Nombre de références bibliographiques : 21

Structure d'accueil : Conseil Général du Haut Rhin/Colmar/France 68

Maître de stage : Nicolas KREIS

Résumé : L’Ill traverse Mulhouse dont une partie de 670m est couvert au centre de la ville. Le débit de ce canal est limité et n’assure pas le passage de la crue centennale ce qui peut entraîner des inondations dans le centre ville.

Ce rapport contient le diagnostic de la ville de Mulhouse lors du passage d’une crue centennale. Il localise les lieux de débordements et le débit déversé qui déduisent le dimensionnement d’un nouveau chenal de prise d’eau en amont du canal couvert pour la protection de la ville.

Mots-clés : Modèle hydraulique, Inondation, Mulhouse, écrêtement des crues.

Documents

Protection Melhouse Contre Crue Centenale