Les types de précipitation
Les types de précipitation sont classés selon le mécanisme qui a servi à les générer. Nous y retrouvons les types suivants :
La précipitation convective : Qui se définit comme le procédé de transfert de chaleur d’une place à une autre par le déplacement actuel d’un gaz ou d’un liquide chaud. Ce type de précipitation se produit grâce au soulèvement d’une masse d’air humide. Nous y retrouvons les orages électriques. Le tout débute avec le soleil qui réchauffe le sol, lequel absorbe les rayons et les transforme en rayons infrarouges qui réchauffent l’air et le force à se soulever. Une fois déplacé, l’air chaud est remplacé par une masse d’air plus froid, cette dernière étant de nouveau réchauffée. Ce processus se répète jusqu’à ce que l’air déplacé atteigne une altitude où la température se trouve sous le point de rosée et qu’il y ait condensation de la vapeur d’eau.
Lorsque la condensation se produit, il y a dégagement de chaleur latente de condensation qui réchauffe à son tour la masse d’air en soulèvement. Cet emmagasinement se continue tant qu’il y a de l’humidité disponible ou que la quantité d’humidité accumulée dans le système convectif demeure suffisamment importante pour que le système en dégage plus qu’il en reçoit. La précipitation cyclonique : Qui se produit dans un système à basse pression est associée à un front froid. Comme le système à basse pression est étendu et que la circulation de l’air qui est refroidi de façon adiabatique s’effectue sur une superficie de grande dimension, la précipitation elle-même couvre aussi une superficie de grande dimension. L’intensité de l’averse se situe de faible à moyenne.
De plus, à cause de l’étendue d’une averse de ce type, sa durée peut être longue pour toute zone au-dessus de laquelle elle se déplace.
La précipitation orographique : Se produit à cause du soulèvement mécanique d’une masse d’air chaud au-dessus de montagnes, ce qui cause un refroidissement adiabatique. Il s’agit d’une précipitation stationnaire, parce que c’est en un point du soulèvement de la masse d’air humide qu’est atteint le point de rosée. C’est un système de basse pression qui cause le déplacement de la masse d’air humide. La durée peut être longue, et l’intensité varie de moyenne à forte. Son étendue est de forme longue mais étroite.
Mesures de la précipitation
La connaissance des précipitations constitue un élément fondamental pour l’étude et la compréhension du fonctionnement des systèmes d’assainissement :
Elle est indispensable pour dimensionner un système d’assainissement ; Elle permet d’évaluer le fonctionnement du système par rapport à des valeurs de référence, Notamment les périodes de retour ou la notion d’événement pluvieux exceptionnel ;
Elle constitue un paramètre explicatif des débits et des volumes observés sur le système, et Pour partie des masses polluantes transférées dans les réseaux et rejetées dans les; milieux aquatiques; Elle permet de caler des modèles de simulation ou de dimensionnement ; Elle permet, à moyen terme, d’établir des statistiques pluviométriques locales spécifiques d’une agglomération ou d’un bassin versant.
Principes de mesure : Il existe deux catégories principales d’appareils de mesure des précipitations: les pluviomètres et les pluviographes.
Les pluviomètres indiquent la hauteur d’eau totale précipitée, en mm (1 mm = 1 L/m2 = 10 m3/ha), sur des durées généralement égales à 24 heures. Les pluviographes permettent de déterminer le cumul de la hauteur de pluie précipitée au cours du temps, et donc de déterminer l’intensité de la pluie, en mm/h, sur des pas de temps courts de l’ordre de 1 à 6 minutes en général, les pas de temps étant fixes ou variables.
Pluviomètres : Les pluviomètres, dont les modèles sont très divers indiquent la hauteur d’eau précipitée pendant un intervalle de temps donné, en général 24 heures . L’eau collectée par la surface réceptrice est conservée dans un récipient gradué directement en millimètres d’eau. La lecture du volume permet de connaître la hauteur de pluie précipitée. Après lecture, le récipient est vidé et remis en place.
Pluviographe à augets
Principe de fonctionnement : Le principe de cet appareil est très simple : principe de fonctionnement d’un Pluviographe à augets basculants ) L’eau de pluie est recueillie dans un cône de réception appelé impluvium et s’écoule à travers un ajutage calibré vers un auget. Lorsque cet auget est rempli, il bascule sous l’effet du déplacement de son centre de gravité : l’eau s’écoule à l’extérieur de l’appareil et l’auget opposé se remplit à son tour jusqu’au prochain basculement. Lors de chaque basculement, un dispositif mécanique couplé aux augets (une goutte de mercure dans une ampoule scellée sur les anciens appareils, l’usage du mercure étant désormais interdit en raison de sa toxicité, ou un aimant et un interrupteur à lame souple sur les appareils plus récents) permet de fermer un contact électrique. Les impulsions électriques sont horodatées et enregistrées sur une centrale d’acquisition de données. Le choix de la surface de réception du cône (de 400 à 2000 cm2) et de la masse d’eau pour laquelle l’auget bascule (de 4 à 20 g) permet de faire correspondre un basculement au passage d’une quantité de pluie donnée et détermine donc la résolution du pluviographe.
Pour les besoins de l’hydrologie urbaine, une résolution de 0,2 mm ou 0,1 mm dans certains cas est nécessaire et suffisante .
Avantages : Les pluviographes à augets sont très répandus et leur coût est relativement modique. La technologie est simple et bien connue, et de nombreux équipements d’enregistrement numérique et logiciels de traitement des données existent sur le marché.
Inconvénients : Les pluviographes à augets sont des appareils nécessitant une surveillance, une vérification et une maintenance régulières. L’ajutage de faible diamètre constitue le point le plus vulnérable: 50 % des pannes sont dues au bouchage de l’ajutage.
Le réglage mécanique de l’équilibre des augets doit être réalisé avec soin. Les pluviographes à augets sont sujets à l’erreur de sur-remplissage qui conduit à une sous-estimation des précipitations réelles, Cette sous-estimation surtout sensible aux fortes intensités, peut néanmoins être corrigée par un étalonnage approprié du Pluviographe.
Pluviographe a pesée
Principe de fonctionnement classique avec vidange d’une capacité : Dans un Pluviographe à pesée classique, l’eau recueillie dans le cône de réception s’écoule vers un auget unique qui se remplit progressivement et qui se vide par déplacement de son centre de gravité dès qu’une masse d’eau fixée est atteinte (150 à 200 g pour les modèles courants). L’eau est évacuée à l’extérieur du Pluviographe et l’auget reprend sa position initiale. Entre deux basculements, la masse de l’auget et de l’eau qu’il contient est mesurée en continu. Une impulsion horodatée est enregistrée par une centrale d’acquisition de données à chaque incrément de masse correspondant à un incrément de hauteur d’eau précipitée.
On effectue ainsi le mesurage de la pluie au fur et à mesure qu’elle tombe. L’exactitude de mesure dépend à la fois de la surface réceptrice, du volume de l’auget, de la valeur de l’incrément et de la résolution de la pesée en continu.
Par exemple, un Pluviographe ayant une surface de réception de 400 cm2, un auget de 160 g et un incrément de 4 g permet d’obtenir une résolution de 0,1 mm de hauteur précipitée. Certains modèles de pluviographes à pesée permettent le mesurage de la masse d’eau à pas de temps constant, ce qui permet dans certains cas d’obtenir une meilleure évaluation des précipitations qu’un mesurage à pas de masse constant. Les risques d’obstruction sont généralement réduits car il n’est pas nécessaire d’avoir un ajutage calibré de faible diamètre à la base du cône de réception. Principe de fonctionnement sans vidange d’une capacité : L’inconvénient principal des pluviographes à pesée classiques est lié à la vidange de l’auget lorsqu’il est plein : cette vidange dure quelques secondes pendant lesquelles
Le mesurage de la pluie est interrompu. C’est pourquoi, sur certains modèles, l’auget est remplacé par un récipient de grand volume pouvant contenir l’équivalent de 250 à 1 000 mm de pluie. La vidange est effectuée par un opérateur durant les visites de maintenance et de vérification. La masse d’eau est pesée et sa valeur peut être stockée à pas de temps constant ou délivrée par impulsions correspondant à 0,1 ou 0,2 mm de pluie.
L’évaporation entre les événements pluvieux est évaluée par la décroissance de la masse d’eau contenue dans l’appareil. La récupération du volume stocké dans l’appareil et sa pesée en laboratoire permettent de vérifier la pesée réalisée par l’appareil.
Variabilité spatiale de la pluie et densité d’appareils nécessaire
Pour des bassins versants étendus (plus de quelques dizaines d’hectares), il est nécessaire de disposer de plusieurs pluviographes pour obtenir une incertitude acceptable sur les lames d’eau précipitées, en raison de la variabilité spatiale et temporelle des phénomènes pluvieux. En effet, la pluie n’est pas homogène sur toute la surface du bassin versant, elle varie dans le temps et se déplace. Ces phénomènes jouent un rôle important dans l’estimation des débits et des volumes ruisselés.
De nombreuses études ont été réalisées sur cette question et fixer une densité idéale de pluviographes est difficile : cette densité dépend des objectifs fixés, du pas de temps d’acquisition des données et de la taille du bassin versant. Dans tous les cas, il faut tenir compte des particularités locales : relief, microclimat, vents dominants, urbanisation, etc.
Considérant que les événements pluvieux les plus critiques pour le fonctionnement des réseaux d’assainissement sont les précipitations de type convectif, Niemczynowicz (1990, 1991) a étudié la taille des cellules convectives orageuses et leurs vitesses de déplacement. Pour identifier ces cellules et suivre leur trajet au-dessus des bassins versants urbains, il considère qu’elles doivent pouvoir être observées simultanément par au moins deux pluviographes. Après une étude portant sur 400 événements pluvieux observés à l’échelle de temps de quelques minutes (valeur habituelle en hydrologie urbaine), il conclut que la variabilité spatiale des événements pluvieux convectifs est telle qu’une information ponctuelle perd tout son sens au-delà d’une distance de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres. Il en résulte que : La distance séparant les appareils doit être de l’ordre de 0,5 km, ce qui impose approximativement un pluviographe par km2 ; la vitesse moyenne de déplacement des cellules convectives étant de l’ordre de 10 m/s, leur temps de passage au-dessus d’un pluviographe est alors compris entre 2,7 et 10,3 min. Pour qu’un pluviographe puisse caractériser, même grossièrement, une cellule convective, son pas de temps de scrutation doit être inférieur ou égal à 1 min.
Niemczynowicz (1990, 1991) a proposé dans un rapport à l’OMM (Organisation Météorologique Mondiale) la règle empirique suivante pour l’implantation des pluviographes en zone urbaine : 1 – 1 – 0,1. Cela correspond à 1 pluviographe pour 1 km2, avec un pas de temps d’observation de 1 minute et un pas de hauteur de pluie de 0,1 mm. Ces recommandations sont généralement considérées comme une densité idéale .
Incertitudes de mesure des pluviographes
Il est nécessaire, pour utiliser des résultats de mesure, de les exprimer avec leur incertitude associée Pour cela, il faut tenir compte de toutes les sources d’incertitude significatives intervenant dans le processus de mesure. Dans le domaine de la pluviométrie, ces sources comprennent essentiellement les contributions des appareils de mesure, des méthodes utilisées, du personnel chargé de la gestion des appareils, de l’environnement de mesure et de la fluctuation des précipitations elles-mêmes, (Laplace, 1997). Les incertitudes liées aux appareils de mesure sont maîtrisables par des opérations d’étalonnage et de vérification pour peu qu’elles soient réalisées dans les règles de l’art métrologique. Le personnel doit être suffisamment compétent et formé pour minimiser sa contribution aux incertitudes. L’environnement de mesure, quant à lui, est plus difficile à maîtriser en milieu urbain et peut être à l’origine d’incertitudes importantes. Les précipitations peuvent être elles-mêmes sources d’incertitude dans l’évaluation d’une lame d’eau précipitée à l’échelle d’un bassin versant, notamment l’incertitude due à leur variabilité spatiale. Cette variabilité, mesurée par un pluviographe fixe, observateur eulérien, est encore l’objet de travaux de recherche importants.
On sait néanmoins que ces différentes incertitudes de mesure conduisent généralement à une sous-estimation des précipitations réelles.
Table des matières
Problématique
Partie 01 : Aperçu Bibliographique
Chapitre I : précipitation
1. Introduction
1.2 Définition de la précipitation
2. Types de la précipitations
• Précipitation convective
• Précipitation cyclonique
• Précipitation orographique
3. Mesure des précipitations
3.1 Introduction
3.2 Principe de mesure
3.3 Pluviomètre
3.4 Pluviographe à augets
3.4.1 Principe de fonctionnement
3.4.2 Avantages
3.4.3 Inconvénient
3.5 Pluviographe a pesée
3.5.1 Principe de fonctionnement classique avec vidange d’une capacité
3.5.2 Principe de fonctionnement sans vidange d’une capacité
3.5.3 Avantages
3.5.4 Inconvénients
3.6 Autres types de pluviographe
3.6.1 Conditions d’installation
3.6.2 Les critères de bonne installation
4. Variabilité spatiale de la pluie et densité d’appareils nécessaire
5. Variabilité temporelle de la pluie
6. Incertitudes de mesure des pluviographes
6.1 Incertitudes liées à l’environnement de mesure
6.2 Incertitudes liées au matériel de mesure
7. Conclusion
Chapitre II : Traitement et exploitation des données pluviographiques
1. Introduction
2. Identification des événements pluvieux
3. Périodes de précipitation nulle
3.1 Début de l’événement
3.2 Fin de l’événement
3.2.1 Durée de précipitation nulle séparant deux événements Pluvieux indépendants
3.3 Calcul direct de la hauteur précipitée
3.4 Intensités et hyétogrammes
3.5 Cas d’une précipitation de faible intensité
3.6 Validation des données pluviographiques
3.7 Séries chronologiques des pluies
3.8 Courbes IDF
3.8.1 Principe général
3.8.2 Etablissement des courbes IDF
Chapitre III : pluie de projet
1. Définition de la pluie de projet
2. Pluie de projet dérivent de courbe IDF
• L’averse uniforme
• L’averse composite
• L’averse type Chicago
3. Pluie de projet dérivant de précipitations observées
3.1 Pluie de projet par moyenne arithmétique
3.2 Pluie de projet selon (PILGRAM ET CORDEY)
3.3 Pluie de projet ISWS (PROFIL DU HUFF)
4. Conclusion
Chapitre IV : Etude des Mises en charge dans les réseaux d’assainissement
1. Introduction
2. Modélisation des écoulements en charge
2.1. Problèmes lies à la modélisation des mises en charge
2.2 Méthode du stockage
2.3 Méthode de la translation simple
2.4 Méthode de la fente de Preissmann
2.5 Méthode INSA
PARTIE 02
Chapitre I : présentation du site de la ville d’étude
1.Introduction
2. Station Pluviométriques de la ville
3. Répartition spatiale de la pluie et Choix de la station représentative
4. données disponibles
Chapitre II : Présentation du réseau d’assainissement
Présentation du réseau d’assainissement
Chapitre III : Modélisation Sous le modèle Canoé
1. Présentation du logiciel
2. Traitement préliminaire des donnes
3. Construction du modèle sous Canoé
4. Présentation des événements pluviométriques
Partie 03
Chapitre I : Résultats et discussions
Résultats et discussions
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
