[PDF] Notions de base en Hydrologie et modélisation de bassin versant

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FORMATION TECHNIQUE

11 juin 2013

Notions de base en Hydrologie

et modélisation de bassin versant

020406080100120140160

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108

120

Temps en min

Intensité en mm/h

3 Plan Généralités: questionnement, définitions

I / Notions d"hydrologie

II / Les paramètres fondamentaux

III / Les méthodes d"estimation des débits et des volumes

IV / La modélisation

V / Quelques exemples de mesures locales

4

Ce que l"on trouve dans une étude de BV

Les 3 phases d"une étude hydraulique :

1. Le diagnosticdu bassin versant (Limites de BV, occupation

du sol, pente, géologie, pédologie, enjeux inondés, pluie et crue observées...)

2. Calculs et modélisationshydrologiques et hydrauliques

(choix de la pluie, choix des méthodes de calculs, choix du logiciel utilisé pour la modélisation, choix des scénarii simulés...)

3. Propositions d'aménagements(choix des sites potentiels

d'implantation des aménagements, volume de rétention, débit de fuite...) 5 Qu"attendons nous de l"étude de BV qui va être lancée ? C"est la première question que l"on doit se poser, ET qu"il faut toujours avoir en tête. Ne jamais perdre de vue l"objectif et les résultats de la phase d"état des lieux sur le Terrain ! Cela ne sert à RIEN de faire la phase de calcul hydraulique ou de modélisation si on ne sait pas ce que l"on veut exactement comme résultats / objectifs / désordres constatés.

Généralités

6

Vocabulaire:

Hydrologie = Science qui traite des eaux situées à la surface de la terre - de leur formation, de leur circulation, de leur distribution dans le temps et dans l"espace, de leur caractéristique; - de leurs propriétés biologiques, physiques , chimiques et de leur interaction avec l"environnement y compris avec les êtres vivants. Précipitations, ruissellement, nappes, rivières, crues... Hydraulique= Science rattachée à la mécanique des fluides qui traite de l"écoulement de l"eau (ou d"autres liquides) dans ouvrages naturels ou construits par l"homme: conduites, canaux, vannes, buses, déversoirs, pompes, rivières...

Généralités

7 Plan Généralités: questionnement, définitions

I / Notions d"hydrologie

II / Les paramètres fondamentaux

III / Les méthodes d"estimation des débits et des volumes

IV / La modélisation

V / Quelques exemples de mesures locales

8

Débit

Temps

Hydrogramme de crue

Notion de débit et de volume ruisselé

Volume

en m3

Débit

en l/s ou m3s

Exutoire

TalwegSous BV unitaire

9

Importance du temps (notion de temps

de concentration)

La goutte d"eau qui tombe sur le

bassin versant met un temps différent pour atteindre l"éxutoire selon le point où elle est tombée

Le temps nécessaire pour que tout

le bassin versant contribue au ruissellement est appelé :

Temps de Concentration (TC)

10

Débit

Temps

Si durée de la pluie = temps de concentration

Hydrogramme de crue

Pluie

La pluie la plus défavorable

en terme de débit est celle dont la durée est égale au temps de concentration 11

Débit

Temps

Si durée de la pluie < temps de concentration

Hydrogramme de crue

Pluie

A aucun moment la totalité

du BV ne participe en même temps à l"écoulement à l"exutoire 12

Si durée de la pluie > temps de concentration

Débit

Temps

Hydrogramme de crue

Pluie

La pluie tombée après la

durée du TC ne contribue plus à augmenter le débit à l"exutoire mais accroît le volume ruisselé 13

Le principe du transit maximum

0100020003000400050006000

0 50 100 150 200 250 300 350

⇒⇒⇒⇒A même volume écoulé, l'accélération des ruissellements diminue le temps de transfert (TC) et augmente donc la pointe de la crue.

Hydrogramme résultant

Hydrogramme initial

Débit

Temps 14

Le principe du ralentissement dynamique

050010001500200025003000350040004500

0 50 100 150 200 250 300 350

Débit

Temps ⇒⇒⇒⇒A même volume écoulé, le ralentissement des ruissellements augmentent le temps de transfert et diminuent donc la pointe de la crue

Hydrogramme initial

Hydrogramme résultant

15

La réalité est souvent plus complexe... (1)

16

La réalité est souvent plus complexe... (2)

17

Pour tenter de se rapprocher de la réalité

Il faut être attentif à :

1.Les caractéristiques de la pluie :

Durée, hauteur, intensité du pic, forme, période de retour, spatialisation

2.Les caractéristiques du bassin versant :

Temps de concentration, occupation du sol, coefficient de ruissellement, pédologie, texture du sol, géologie...

3.La méthodologie de calcul utilisée :

Méthodes empiriques, méthodes statistiques, modélisation... 18 Plan Généralités: questionnement, définitions

I / Notions d"hydrologie

II / Les paramètres fondamentaux

II.1 La pluie

II.2 Le temps de concentration

II.3 L"occupation du sol (CR et CN)

III / Les méthodes d"estimation des débits et des volumes

IV / La modélisation

V / Quelques exemples de mesures locales

19

La pluie (1) : Quelle pluie ?

A Quelle saison ?

Il faut essayer de connaître la (les) période (s) de dégâts: Juin- Juillet ou Décembre-Janvier, et ensuite on privilégiera des séquence pluvieuses qui correspondent à la réalité de terrain.

Comment est elle caractérisée ?

Sa hauteur, son intensité moyenne ou sur une durée définie, sa forme ou son hyétogramme, le cumul de pluie sur X jours précédents, sa probabilité de retour en années.

Pluie réelle ou pluie de projet ?

20

La pluie (2) : notion de période de retour

La période de retour doit être interprétée comme une probabilité statistique Exemple 1: " si une accumulation sur 24 heures de 73 mm est une pluie de période de retour 10 ans (ou décennale), c"est que cette pluie s"est produite statistiquement à la fréquence d"une fois tous les dix ans. Cela ne veut pas dire qu"une telle pluie se produira régulièrement à chaque dix années mais que statistiquement, elle a 10 % de chance de se produire durant une année particulière ». Exemple 2: " une pluie de période de retour de 20 ans, qui a donc une probabilité de 5 % durant une année, peut se produire plusieurs fois dans une même année ou une fois durant

une certain nombre d"années consécutives (exemples : Paris, été 2000, été 2001 et été

2002), puis ne plus se produire durant 40 ans. »

Source : Wikipédia

Attention : il n"y a pas de relation simple entre la période de retour de la pluie et la période de retour des crues 21

La pluie (3) : analyse statistique

P luie du 25 12 99 à B o urville

0 ,00 ,51,01,52 ,02 ,53 ,03 ,5

2 4 - 0 9 :3 6 2 4 - 14 :2 4 2 4 - 19 :12 2 5 - 0 0 :0 0 2 5 - 0 4 :4 8 25 - 0 9 :3 6 2 5 - 14 :2 4 2 5 - 19 :12

On ne définit pas la période de retour d"une pluie, qui est unique, mais d"une hauteur x durée (ou une intensité x durée)

1 heure

6 heures

24 heures

22

2 34,8

5 44,8

10 51,4

20 57,8

50 66,0

100 72,1

Hauteurs

estiméesDurée de la pluie24h

Période de

retour

2 29,5

5 38,1

10 43,7

20 49,2

50 56,2

100 61,5

Période de

retourHauteurs estiméesDurée de la pluie12h

2 25,0

5 32,3

10 37,2

20 41,8

50 47,8

100 52,3

6h

Période de

retourHauteurs estiméesDurée de la pluie etc. etc.

6' 15' 30' 1 h 2 h 3 h 6 h 12 h 24 h

2 ans6,2 10 14,3 16 19,1 21,2 25 29,5 34,8

5 ans8,1 13,7 18,1 21,5 26 29,5 32,3 38,1 44,8

10 ans9,4 16,1 21 25,2 30,5 35,1 37,2 43,7 51,4

20 ans10,6 18,5 23,9 28,8 34,9 40,3 41,8 49,2 57,8

50 ans12,1 21,5 27,7 33,3 40,6 47,2 47,8 56,2 66

100 ans13,3 23,8 30,6 36,7 44,8 52,3 52,3 61,5 72,1

Pour les valeurs mesurées au poste de Rouen Boos sur la période 1957-1998

La pluie (4) : analyse statistique

23

La pluie (5) : analyse statistique

6 min 15 min 30 min 1 h 2 h 3 h 6 h 12 h 24 h

H (mm)9,4 16,1 21 25,2 30,5 35,1 37,2 43,7 51,4

0102030405060

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Temps en minutes

Hauteur précipitée

(données MétéoFrance poste de Rouen Boos sur la période 1957-1998, période de retour F10 ans)

110100

1 10 100 1000 10000

Temps en minutes

Hauteur précipitée

Il existe une relation linéaire entre

le log de la durée de la pluie et le log de la hauteur totale précipitée 24

La pluie (6) : analyse statistique

0102030405060

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Temps en minutes

Hauteur précipitée

Relation de Montana :

I: Intensité moyenne en mm/h

t: durée de pluie en min taIb-´´=60 btatIP-´=´=1

Durée de la pluie en minutes

P : Hauteur de pluie en mm

t: durée de pluie en min 25

EXERCICE : Formule de Montana

Sources: Météo France 14 juin 2004

Quelles sont la hauteur et l"intensité d"une pluie de durée 2 heures ? -de période de retour 2 ans -de période de retour 10 ans -de période de retour 100 ans 26

EXERCICE : Formule de Montana

Sources: Météo France 14 juin 2004

Durée de pluie 120 minutes

Période de retourabHauteur mmIntensité mm/h

2 ans6,057 0,757 19,4 9,7

10 ans12,31 0,811 30,4 15,2

100 ans20,712 0,842 44,1 22,1

Coefficients de Montana

MF Rouen 1h-24h 1957-2000

27
La pluie (7) : Choix et construction d"une pluie de projet

0, 05, 01 0, 01 5, 020, 025, 030, 0

0 20 40 60 80 1 00 1 20 1 40

Temps en min

0 , 01 0 , 02 0 , 03 0 , 04 0 , 05 0 , 06 0 , 07 0 , 08 0 , 0

0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0

Temps en min

020406080100120140160

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144

Temps en min

Intensité en mm/h

Une pluie se définit par sa période de retour et sa durée, mais aussi sa forme et son intensité maximale : Il existe une infinité de pluies de projet.

P luie du 25 12 99 à B o urville

0 ,00 ,51,01,52 ,02 ,53 ,03 ,5

2 4 - 0 9 :3 6 2 4 - 14 :2 4 2 4 - 19 :12 2 5 - 0 0 :0 0 2 5 - 0 4 :4 8 25 - 0 9 :3 6 2 5 - 14 :2 4 2 5 - 19 :12

On peut aussi utiliser

une pluie réelle :

Extrait du radar d'Abbeville

le 16/06/97 à 16H UTC

Source : SCEM/CBD/ARM

Peut on appliquer une pluie

homogène à l"ensemble d"un BV ? 30

La pluie (8) : Abattement

Domaine de validité de cette formule :

1 < durée de la pluie locale < 24 heures

0.5 < période de retour < 25 ans

1 < surface du BV < 200 km2

Si la surface du BV étudié est

> 10 km

2, l"orage ne

l"affectera pas entièrement.

Sur l"ensemble du bv étudié,

il faut utiliser une pluie moyenne abattue.(h) pluie la de durée:(an)retour de période:)(km superficie:)6,78,147,7/(/1 24,0
5,0 dTSTd

TSeKxlocalePluieKxmoyennePluie

´=Taille de bv entre 2 et 10 km2:

pas d"abattement ni épicentrage 31

Abattement des pluies

0,5000,6000,7000,8000,9001,000

0 20 40 60 80 100

Surface du Bv en Km

2

Coefficient d"abatement K

1 2 3 6 12 24

Durée

des pluies en h Source : Cemagref (Orgeval) Maîtrise du ruissellement et de l"érosion en vignoble

Pour période de

retour 10 ans 32

La pluie (9) : Epicentrage

(h) pluie la de durée:(an)retour de période:)(km superficie:)1ln()32,0ln026,003,0(1 220
dTSSeTKxlocalePluieKxponctuellePluie d++++=

Domaine de validité de cette formule :

1 < durée de la pluie locale < 24 heures

0.5 < période de retour < 25 ans

1 < surface du BV < 200 km

2

Taille de bv entre 2 et 10 km2:

pas d"abattement ni

épicentrage

Si la surface du BV étudié

est < 2 km

2, l"orage peut être

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