Evaluation expérimentale de la performance hydrologique d’une noue filtrante

Reconstitution des données manquantes sous US EPA SWMM 

Introduction

La série de données eau brute (mesure des débits de ruissellement issus d’une section de la route), qui devait être utilisée pour estimer le flux d’eau entrant dans la noue filtrante, présente de nombreuses lacunes du fait de défaillances techniques (partie 2.3.1). Afin d’obtenir des données fiables de ce qui entre dans la noue, une modélisation des débits de ruissellement issus de la voirie a été réalisée au moyen du logiciel de l’US EPA (United States Environmental Protection Agency) SWMM 5.1 (Rossman, 2015). Ce modèle a tout d’abord été appliqué au bassin versant routier correspondant au point de mesure « eaux brutes », et calibré puis validé sur une sélection d’événements pour lesquels des mesures sont disponibles et fiables. Il est ensuite appliqué au cas du bassin versant de la noue filtrante, en conservant les paramètres précédemment calés. Cette approche permet de simuler le ruissellement de la chaussée entrant dans la noue filtrante. Dans les sections suivantes, on présentera le modèle SWMM, le calage de celui-ci, ainsi que les principaux résultats obtenus. 

Méthodologie 

Description du modèle SWMM

Le modèle SWMM est largement utilisé pour la modélisation quantité/qualité des eaux pluviales urbaines. Les simulations hydrologiques sous ce programme peuvent être réalisées à l’échelle événementielle ou à long terme. Dans le présent modèle, un sous bassin versant est représenté par un réservoir non linéaire dans lequel entrent et sortent des flux (Figure 3.1). Les flux entrant dans ce réservoir proviennent des précipitations et du ruissellement du sous bassin amont. D’autre part, l’eau sort du système par infiltration, évaporation et ruissellement superficiel. L’infiltration est considérée nulle car le bassin versant (la route) est complètement étanche. La relation entre le ruissellement superficiel (Q) est la hauteur d’eau (d) dans ce réservoir est une fonction non linéaire, l’équation de Manning. Evaluation expérimentale de la performance hydrologique d’une noue filtrante 171 Figure 3.1. Représentation conceptuelle des flux d’eau dans SWMM (Rossman, 2015) L’Équation 3.1 de continuité du système est donnée ci-dessous : Équation 3.1 𝐴 𝑑 𝑑 𝑑 𝑡 = 𝐴 (𝑃 − 𝐼 − 𝐸) − 𝑄 Avec 𝐴 la surface du bassin versant ; 𝑃 l’intensité de la pluie ; 𝐼 le taux d’infiltration ; 𝐸 le taux d’évaporation et Q le débit de ruissellement. Le ruissellement superficiel Q (par unité de surface) est produit lorsque la capacité maximale de stockage du réservoir (pertes au ruissellement) est dépassée. Cette capacité maximale est définie par la capacité maximale de stockage en dépression Dstore assuré par la hauteur de stockage d’eau en surface, le mouillage de la surface et l’interception. Le débit Q est déterminé par l’équation de Manning (Équation 3.2) à partir des paramètres spécifiés par l’utilisateur. Ces paramètres sont la rugosité, la largeur et la pente du bassin versant. Équation 3.2 𝑄 = 𝐶 𝐿 𝑛𝑀 (𝑑 − 𝐷𝑠𝑡𝑜𝑟𝑒) 5/3𝑆 1/2 Avec C une constante (=1 si d et Dstore en m et le débit en m3 ∙s -1 ) ; L la largeur représentative du bassin versant ; 𝑛𝑀 est la valeur moyenne du coefficient de Manning ; S la pente moyenne du bassin versant. La substitution de l’Équation 3.2 dans l’Équation 3.1, on obtient l’Équation 3.3: Équation 3.3 𝑑2 − 𝑑1 ∆𝑡 = 𝑃̅ − 𝐼 ̅− 𝐸̅ − 𝐶 𝐿 𝑆 1/2 𝐴 𝑛𝑀 ( 𝑑2 + 𝑑1 2 − 𝐷𝑠𝑡𝑜𝑟𝑒) 5/3 Evaluation expérimentale de la performance hydrologique d’une noue filtrante 172 Avec ∆𝑡 le pas de temps de calcul ; d1 et d2 sont les hauteurs d’eau en surface au début et à la fin du pas de temps de calcul, respectivement. Le débit Q est donc obtenu après avoir calculé l’infiltration dans le sol à l’aide d’une équation d’infiltration, puis en calculant d2 à l’aide de l’équation 3.3 et enfin en appliquant l’équation de Manning 3.2. Les modèles d’infiltration qui peuvent être choisis sont : Horton, Horton modifié, Green-Ampt, Green-Ampt modifié et Soil Conservation Service (SCS) Curve Number. 3.2.2.1 Configuration des systèmes modélisés La modélisation SWMM est appliquée sur deux bassins versants : bassin versant de référence et bassin versant de la noue filtrante. Le bassin versant routier (de référence) drainé par le point de mesure « eaux brutes » correspond à un bassin versant de 945 m² de surface, 100% imperméable. Il comporte un caniveau sur toute sa longueur. L’eau ruisselle donc transversalement sur la chaussée puis s’écoule dans le caniveau jusqu’au regard de mesure. Une représentation du site réel ainsi que la configuration du modèle du bassin versant de référence est présentée sur la Figure 3.2. Tout d’abord, la modélisation du bassin versant a été réalisée comme dans la réalité avec un caniveau. Les résultats ont montré que l’ajout de ce caniveau ne change pas significativement les résultats en termes de temps de transfert. La décision a donc été de négliger cette approche et de modéliser le bassin versant « eaux brutes » sans caniveau. Les deux représentations du système avec et sans caniveau sont illustrées dans la Figure 3.3. Ce bassin versant a une largeur perpendiculaire au ruissellement de 88,3 m. Cette valeur est calculée en divisant la surface du BV par la diagonale qui correspond au chemin le plus long parcouru par l’eau (10,7 m) perpendiculairement aux courbes de niveau. La pente d’écoulement moyenne (pente latérale) sur tout le bassin versant est égale à 2,3 %.