Urbanisation et eaux pluviales

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1 inondation et Gestion de la ville par temps de pluie Colloque des 15 et 16 Novembre 2001 Urbanisation et eaux pluviales Jean-Pierre Tabuchi Agence de l'eau Seine-Normandie 51 rue Salvador Allende Nanterre cedex - O tabuchijean-pierre@aesn.fr Le développement de nos agglomérations produit des modifications importantes des conditions d'écoulement des eaux par le changement des caractéristiques de ruissellement des sols : des sols naturels ou cultivés se trouvent recouverts de matériaux artificiels imperméables, des zones à l'urbanisation encore lâche subissent un processus de densification. Cet accroissement de l'imperméabilisation a de nombreux effets : Elimination de la végétation qui permet de freiner l'écoulement, d'augmenter la surface d'évaporation, de restituer une partie (parfois importante) de l'eau à l'atmosphère par évapotranspiration ; Réduction de l'infiltration et donc de la réalimentation des nappes d'eau souterraines ; Augmentation des volumes ruisselés puisque l'on a moins d'évaporation et d'infiltration Augmentation des débits ruisselés, l'écoulement de l'eau étant moins freiné ; Accumulation de polluants. Ces eaux de ruissellement doivent être évacuées et l'on ne trouve pas toujours un exutoire à proximité. Aussi on a développé des réseaux d'assainissement pour acheminer ces eaux vers des rus et des rivières. C'est ainsi qu'à partir de la fin du 19"' siècle, le concept hygiéniste conduit à la construction et au développement de réseaux unitaires évacuant vers I'avai des agglomérations les eaux usées et les eaux pluviales. A la fin de la deuxième guerre mondiale, on assiste au développement à grande échelle des réseaux séparatifs qui permettent d'assainir les collectivités à un coût moindre. Pour les eaux pluviales, la philosophie est à l'évacuation rapide de ces eaux. Dans le courant des années 60 apparaissent les premières manifestations des limites d'une telle démarche : dans les villes nouvelles de l'agglomération parisienne on s'aperçoit que c'est l'évacuation des eaux pluviales qui limite le développement de ces villes, dans le même temps un nombre grandissant de collectivités sont confrontées à des inondations et des insuffisances des réseaux de plus en plus fréquentes et importantes. C'est par exemple le cas du département de la Seine-Saint-Denis, du district de Nancy, de l'agglomération bordelaise. C'est aussi à cette époque que sont lancées les premières grandes études sur la pollution urbaine de temps de pluie. On s'aperçoit alors que la pollution véhiculée par les eaux pluviales peut être très importante. 1 Secrétariat du Colloque _. ~.~ Agence de l' au Artois-Picardie - Centre Tertiaire de L'Arsenal rue Marceline - B.P Douai Tel O0 - fax

2 Parallèlement l'effort de maîtrise de la pollution de temps sec conduit à une stabilisation et même à la reconquête des milieux naturels. La tendance à la dégradation des cours d'eau est inversée et le problème de la pollution par temps de pluie devient significatif. La prise en compte de l'impact dans la réflexion devient à l'ordre du jour. Son incorporation dans la réglementation d'aujourd'hui traduit cette évolution. Nota : ce document se focalise principalement sur la maîtrise des eaux excédentaires. II ne faut cependant pas perdre de vue que les rejets urbains par temps de pluie sont devenus aujourd'hui l'une des sources majeures de pollution causées par les collectivités et que le traitement des ces pollutions devient de plus en plus une nécessité. 1 URBANISATION ET INONDATIONS La première fonction de l'assainissement pluvial est l'évacuation des eaux pluviales. Cette fonction a été et reste une préoccupation constante des collectivités locales pour éviter les inondations. Comme on l'a déjà dit plus haut, au fil de l'urbanisation ces problèmes d'évacuation des eaux pluviales se sont accrus de manière importante voire très importante. Une illustration de l'influence de l'urbanisation est donnée dans les graphiques suivants (1). Ils comparent deux bassins versants voisins, situés aux Etats-Unis, ayant subit une évolution de leur urbanisation différente au cours des 35 dernières années. Ils montrent l'impact de cette urbanisation sur la fréquence d'apparition d'une valeur de débit. Dans le cas du bassin versant peu urbanisé (May creek), la période de retour d'un débit donné a peu changé. Par contre le bassin versant qui a connu une urbanisation beaucoup plus importante (Mercer creek) voit la fréquence d'apparition d'un débit donné passer de 15 ans à un peu plus d'un an r? LI 175. v U 150- J 125- May Creek w 60 '2.- g 50 +? a 40 3 < 30 v>,'i 2o 10 O May Creek 0 e@ O O O S J Mercer Creek wm.w.z g O 1 95 '-'" 1 Mercer Creek O O O I I Période de retour (années) Influence de l'urbanisation sur la période de retour des débits (1) 2

3 La conséquence de cette réduction de la période de retour est le plus souvent l'inondation. La notion d'inondation évoquée ici est relative aux inondations liées à des événements pluvieux locaux, souvent de type orageux, entraînant une saturation locale des réseaux hydrographiques (( naturels )) ou artificiels. II convient de différencier ces inondations des inondations hivernales où les grandes rivières débordent par suite d'une pluviométrie importante et généralisée. Pour résoudre ces problèmes d'inondation on a commencé par renforcer les réseaux etlou recalibrer les cours d'eau mais petit a petit la recherche d'exutoires pour les eaux pluviales devient souvent de plus en plus problématique. II est de plus en plus fréquent de rencontrer des exutoires à capacité limitée, qu'il s'agisse de réseaux d'assainissement (unitaires ou pluviaux) souvent conçus pour un certain degré d'urbanisation ou du petit réseau hydrographique. Les insuffisances d'évacuation des eaux pluviales peuvent parfois se situer très en aval des zones productrices des eaux de ruissellement. Si bien qu'il n'est souvent plus possible de poursuivre une politique d'évacuation rapide des eaux pluviales à l'aide de gros collecteurs car les coûts de restructuration des réseaux peuvent être prohibitifs. Par ailleurs, il s'agit la généralement de solutions curatives permettant de résoudre pour une certaine durée les désordres accumulés au cours des années. Mais la tendance naturelle de la ville est à l'accroissement de surfaces imperméabilisées, que celui-ci soit diffus (densification de l'habitat, goudronnage de trottoirs, etc.) ou de plus grande ampleur (zones d'urbanisations nouvelles). La mise en place de solutions curatives conduit a une course poursuite entre le rattrapage des insuffisances et des besoins de capacités d'évacuations sans cesse croissante. Si bien que l'on peut arriver à un point de rupture entre le développement de la collectivité et les coûts de l'évacuation des eaux pluviales. C'est pourquoi ces solutions curatives, qui peuvent permettre d'apporter une réponse rapide à des problèmes parfois aigus d'inondation doivent s'accompagner du développement de solutions préventives permettant de compenser ces apports nouveaux d'eaux de ruissellement. Par ailleurs il convient de souligner l'impact hydraulique de ces apports brutaux d'eaux pluviales sur ies milieux récepteurs qui peuvent détruire complètement la morphologie d'un cours d'eau par érosion des berges et des sédiments, occasionnant ainsi des dépôts très importants dès que l'on retrouve ies débits d'étiage normaux. Cela peut également provoquer une destruction complète de l'habitat et donc de l'écosystème. Que ce soit donc pour des raisons économiques ou de préservation des milieux récepteurs, il est nécessaire de changer de pratique dans le domaine de l'évacuation des eaux pluviales. Les quelques exemples ci après illustrent les problèmes liés à l'évacuation des eaux de temps de pluie. 1.1 LE CAS DE LA COMMUNAUTE URBAINE DE BORDEAUX La communauté urbaine de Bordeaux (CUB) a comme exutoire naturel la Garonne, soumise à l'influence des marées. Par ailleurs, le développement de l'agglomération s'est essentiellement en amont du centre historique de la ville assaini en unitaire. Cet ancien réseau a rapidement atteint la saturation de sa capacité d'évacuation. La CU9 s'est trouvé soumise à des inondations sans cesse croissantes en importance et en fréquence. En 1984 la succession de deux orages exceptionnels a rendu nécessaire la prise de premières mesures au niveau du règlement d'assainissement. Des études ont été faites et le coût de la résolution des insuffisances dues à l'urbanisation existante conduisait à un programme de travaux de 2.5 milliards de francs. Ces travaux ne permettaient pas de faire face aux prévisions d'extension de l'urbanisme. La CUB s'est alors trouvée face à un dilemme : cesser tout développement de son urbanisation, dépenser des sommes encore plus importantes pour prendre en compte l'évacuation des eaux pluviales des urbanisations nouvelle ou trouver une autre démarche. 3

4 C'est cette troisième voie qui a été choisie : les urbanisations nouvelles ne doivent pas aggraver la situation de 1984 et les investissements seront faits pour résoudre les insuffisances connues à cette époque. Cela s'est traduit d'abord dans le règlement d'assainissement puis dans le plan d'occupation des sols dans lequel il est indiqué que le coefficient d'imperméabilisation apparent ne devra pas être supérieur à 0,3. Parallèlement un programme d'investissement d'environ 3 milliards de francs était lancé pour détourner les eaux pluviales venant de l'amont du centre de Bordeaux par la construction de grands collecteurs de ceinture ramenant les eaux vers la Garonne, de stations de pompage pour renvoyer les eaux en Garonne en période de marée haute et de d'ouvrages de stockage ( m3). Ce programme a constitué pendant près de 10 ans le premier poste d'investissement de la CUB. Aujourd'hui, ce programme a porté ses fruits puisqu'à la fois la fréquence et l'importance des inondations ont été réduites. II faut noter que l'utilisation systématique des solutions compensatoires se fait sans surcoût pour les aménageurs. En effet il existe toujours une solution moins coûteuse que l'assainissement traditionnel. 1.2 LE CAS DE LA SEINE-SAINT-DENIS Le département de Seine-Saint-Denis se caractérise par des exutoires éloignés, une topographie avec très peu de relief et un développement urbain soutenu. Ce département est confronté à des insuffisances d'évacuation des eaux pluviales depuis le milieu des années 70. D'importants efforts ont été menés pour réduire ces insuffisances. L'éloignement des exutoires a conduit à mettre en place d'importantes capacités de stockages (environ m3) seule solution possible pour conserver un réseau gravitaire de dimension raisonnable compte tenu du relief. Ces ouvrages peuvent être tous télegérés Malgré les investissements très importants réalisés, le constat qui est fait est que la poursuite de la prise en charge de l'évacuation des eaux pluviales par la collectivité risque d'atteindre ses limites. En effet, les études menées par la Direction de l'eau et de l'assainissement du département de Seine-Saint-Denis (2) montrent que, même avec des dispositions compensatoires au niveau des opérations importantes, le rythme de l'imperméabilisation diffuse semble plus rapide que ce que les investissements possibles permettent de réaliser comme travaux de maîtrise des eaux pluviales. En effet les travaux les plus faciles ou les plus rentables ont été effectués, il s'agit de mettre en place des ouvrages plus petits et souvent enterrés, par conséquent le prix unitaire des ouvrages a augmenté alors que les capacités d'investissement n'évoluent pas dans les même proportions. Les alternatives ne sont pas nombreuses et nécessitent un changement dans la prise en compte de l'évacuation des eaux pluviales en particulier au niveau des communes. 1.3 LE CAS DE LA VILLE NOUVELLE DE SAINT QUENTIN EN YVELINES Ce cas est un peu différent des deux cas précédents. La ville nouvelle de Saint Quentin en Yvelines fait partie des 5 villes nouvelles prévues dans le schéma d'urbanisme de la région Ile de France de Le problème ici était l'implantation d'une ville loin de tous exutoires capables de faire face à des débits importants. En fait l'évacuation des eaux pluviales compromettait la faisabilité de l'opération. Finalement, la solution mise en œuvre a consisté à construire un certain nombre de grands bassins de retenue insérés dans l'urbanisation. Cette solution a permis d'apporter une réponse technico-économique satisfaisante. Ce fut un premier pas vers un changement d'approche dans la gestion de l'évacuation des eaux pluviales. 4

5 2 QUELLES SOLUTIONS? A la différence de ce qui se pratique dans le domaine des eaux usées, il n'existe pas de solution "universelle", de recette pour résoudre facilement les problèmes causés par les rejets urbains par temps de pluie. C'est le plus souvent une méthode générale qu'il faut appliquer pour parvenir à un projet de gestion des eaux pluviales cohérent. Les solutions et réponses précises ne peuvent être que locales car les contraintes liées au site, au milieu récepteur, des modes d'occupation des sols, de l'encombrement du sous-sol, du réseau ou des ouvrages d'épuration etc., seront décisives dans la définition des projets. 2.1 LES ETUDES DIAGNOSTIC ET LES SCHEMAS D'ASSAINISSEMENT La première étape est de procéder à un diagnostic et d'élaborer un schéma d'assainissement. Aujourd'hui ces études ne doivent plus se limiter à la résolution des problèmes de pollution de temps sec, à la recherche des eaux claires parasites permanentes, etc. Ces études doivent être complètes : elles doivent traiter des insuffisances hydrauliques, du fonctionnement du réseau et de la station d'épuration, de la détermination des volumes et flux rejetés par temps de pluie, de l'appréciation de l'impact sur le milieu récepteur. Elles doivent également fournir tous les éléments nécessaires à la mise en œuvre la délimitation des zones où les eaux de ruissellement doivent être maîtrisées prévues par l'article L du code général des collectivités territoriales. II paraît donc indispensable d'investir dans les études préalables, et en particulier dans études diagnostic et les schémas d'assainissement. Cette première dépense est le meilleur moyen d'optimiser les investissements ultérieurs. 2.2 L'URBANISME La maîtrise des eaux de ruissellement dans les zones d'urbanisation nouvelles est maintenant indispensable. On sait parfaitement tous les dysfonctionnements que peuvent engendrer les développements des surfaces imperméabilisées ainsi que les débits et volumes qu'elles engendrent. Suffisamment de collectivités en ont fait les frais pour ne plus poursuivre dans la voie du tout tuyau sans s'être posé la question de l'impact de ces eaux pluviales au moins déjà en terme d'évacuation et de plus en plus en terme de pollution. De nombreuses solutions techniques existent aujourd'hui pour éviter d'aggraver la situation existante. Ces solutions prennent le terme générique de techniques compensatoires ou alternatives. Compensatoires : compenser les effets de l'imperméabilisation, alternatives : alternatives à l'assainissement classique. II est donc indispensable de profiter de toutes les occasions pour insérer dans les documents d'urbanisme, même au niveau des schémas directeurs, des dispositions relatives à l'évacuation des eaux pluviales. L'établissement ou la révision des documents d'urbanisme est une étape fondamentale à ce niveau. C'est en effet le meilleur moyen d'imposer des solutions compensatoires. La délimitation des zones où l'imperméabilisation doit être contrôlée ne doit pas forcément se limiter aux seules zones d'urbanisation nouvelles. En effet, des opportunités peuvent se présenter dans des secteurs déjà urbanisés pour mettre en place des solutions compensatoires. Ceci peut s'avérer particulièrement intéressant dans le cas d'une opération de rénovation. Elles permettront éventuellement d'apporter une réponse à la diminution des volumes surversés. 5

6 2.3 LES SOLUTIONS TECHNIQUES Toutes les techniques décrites sont des solutions qui ont recours à l'infiltration ou au stockage ou à la combinaison des deux. A l'aide de ces solutions, on cherche à restituer un hydrogramme voisin de celui du terrain naturel avant aménagement ou respectant les contraintes définies à partir de l'étude diagnostic décrite plus haut Les bassins de retenue La technique du bassin de retenue est entrée depuis longtemps dans le domaine des solutions classiques. Elle est maintenant bien maitrisée. On distinguera différents types d'ouvrages : les bassins en eau et les bassins secs. Pour les bassins secs, on pourra faire la distinction entre bassins à l'air libre et bassins enterrés. On n'insistera pas sur le dimensionnement des ces ouvrages. Ces ouvrages permettent de combiner utilement lutte contre les inondations et dépollution sous certaines conditions. Pour les bassins en eau, en général il n'y a pas problème particulier: les critères pour un bon fonctionnement écologique de ces ouvrages font qu'ils sont efficaces pour la dépollution. Par contre pour les bassins secs, ils peuvent être totalement inefficaces en matière de dépollution. Le principal paramètre de contrôle est la surface permettant la décantation : plus celle-ci est importante meilleure elle sera. En première approximation, on peut considérer que le rapport entre le débit de fuite du bassin et la surface doit être inférieur à 1 m/h Les noues Variante des bassins de retenue à sec, la noue est un fossé dont les "parois'' sont en pentes douces. Ce sont des zones temporairement inondables qui peuvent structurer l'espace Urbain avec un attrait paysager appréciable L'i nf i I t rat ion Plusieurs techniques existent pour infiltrer les eaux pluviales. Dans tous les cas, on les privilégiera pour des eaux non polluées comme les eaux de toitures ou les eaux provenant des voiries de dessertes des lotissements ou des zones d'activités tertiaires. Pour les zones d'activités industrielles et artisanales elles requièrent le maintien de la parfaite séparation des eaux usées, industrielles et pluviales dans les locaux. Pour le dimensionnement on prend en compte la perméabilité et la surface d'infiltration pour déterminer le débit de fuite, s ce débit est insuffisant par rapport aux apports, il faut prévoir un volume de stockage dont la capacité est déterminée comme pour un bassin de retenue Les chaussées réservoir II s'agit ici de stocker les eaux pluviales dans le corps de la chaussée constitué d'un matériau poreux qui peut-être soit un matériaux concassé type ballast de chemin de fer soir d'un matériau alvéolaire de type nid d'abeille offrant ainsi un volume de vide plus important par rapporl au concassé (90 % de vide contre 30 %). L'admission de l'eau dans le corps de la chaussée peut se faire par diverses manières. On peut avoir recours a l'infiltration directe à travers la surface qui est poreuse. On peut aussi recourir à une alimentation par un système d'avaloirs classiques reliés à des drains. Dans ce cas l'efficacité pour la dépollution est moindre. En effet l'infiltration par la surface permet d'avoir une bonne dépollution des eaux de ruissellement dont les polluants sont piégés a la surface du revêtement. Des rendements de 70 à 90?h sont obtenus selon les polluants. Cette dépollution entraîne un colmatage progressif de la couche de surface que l'on peut prévenir par un entretien régulier ou bien on peut procéder à un décolmatage périodique. 6

7 La technique de la chaussée réservoir s'applique particulièrement bien à des parkings de surfaces importantes. Ils permettent en générale de stocker l'intégralité des eaux du parking et des toitures Les toits terrasse L'utilisation des toits terrasse pour y faire du stockage est une solution qui peut-être envisagée lorsque l'on prévoit de faire un toit terrasse. Dans ce cas, c'est une solution simple et quasiment sans surcoût. 3 QUELQUES NOTIONS DE COUTS D'une manière générale, l'expérience montre que le coût d'un assainissement par solution compensatoire est moins élevé qu'un assainissement classique. Ceci est vrai à l'échelle de l'opération même et le devient encore plus si l'on devait intégrer le coût d'une restructuration aval des réseaux d'assainissement. Les deux exemples ci-après en sont la démonstration. 3.1 EXEMPLE No 1 : CAS D'UN LOTISSEMENT - COMPARAISONS ENTRE DIFFERENTES SOLUTIONS II s'agit d'une étude comparative (3) portant sur un lotissement de 100 habitations dont la densité est de 18,4 logements à l'hectare. La pente est de 0.5%. Cette étude dimensionne les réseaux dans la région de pluviométrie I I pour une période de retour de 10 ans avec un coefficient d'imperméabilisation de 0,4. A partir de ces hypothèses de bases, sont comparés six systèmes d'assainissement en supposant bien entendu qu'ils sont tous a priori possibles notamment sur le plan de la perméabilité en vue d'une infiltration des eaux pluviales. Le détail estimatif figure dans le tableau 2. Les coûts unitaires sont bases sur des moyennes etablies à partir de nombreux cas observés. Les constatations que l'on peut tirer de ce tableau sont les suivantes : l'impact économique de la suppression du branchement souterrain au réseau pluvial est déterminant ; le coût du réseau est très sensible à l'utilisation de l'infiltration sur la parcelle grâce à la diminution du volume à évacuer ; pour des terrains relativement imperméables, l'assainissement par fossés conduit à une solution économique. Pour le coût de5 ouvrages extérieurs à l'opération, celui-ci sera d'autant plus faible que le débit de pointe sortant de l'opération sera faible (pas d'incidence sur l'aval), donc les solutions d'infiltration seront les moins onéreuses. En conclusion, la solution la plus coûteuse reste la solution classique n"1, avec la solution n"2 avec réseaux, caniveaux, fossés, regards, trop complexe. Les autres solutions intermédiaires sont globalement au même coût, toutes ces solutions se valent suivant la nature du terrain. La solution la moins chère est la solution la moins technique, la solution n"4 avec fossés et caniveaux, où l'eau sera momentanément visible et où une gêne existera pendant la pluie surtout dans les zones privatives inondées. 7

8 n"1 = n"2 = n"3 = n "4 = n"5 = n"6 = assainissement classique par canalisations enterrées avec branchements souterrains; assainissement par canalisations enterrées et utilisation de l'écoulement superficiel sur les parcelles; assainissement par canalisation enterrée et infiltration sur la parcelle; assainissement par fossé et utilisation de l'écoulement superficiel sur les parcelles; assainissement par canalisation enterrée et infiltration; assainissement par chaussée poreuse et infiltration sur la parcelle. Tableau 2 : Tableau récapitulatif de l'exemple EXEMPLE NO2 : CAS D'UNE ZAC EN REGION (LE DE FRANCE II s'agit d'une opération immobilière réalisée dans le cadre d'une ZAC à VerneuiVSeine (78). La surface concernée est d'environ 21 hectares constituée de 235 lots. Les surfaces revêtues ou construites représentent 24 % de la surface totale. Le débit admissible à l'aval est limité par la capacité du collecteur à 200 I/s. La topographie de la zone est variée et comprend des secteurs à forte pente. Deux solutions de régulation des eaux de ruissellement ont été envisagées : bassin de retenue avec plusieurs variantes et assainissement compensatoire du type chaussée réservoir Le bassin de retenue Dans le cas des solutions bassin de retenue, la solution proposée est la création d'un bassin de retenue sur un site extérieur à la zone aménagée. Ce choix repose sur les contraintes topographiques qui rendait trop coûteux la réalisation d'un tel dans le périmètre même de la ZAC, par ailleurs il se révélait consommateur d'espace. De plus la collectivité disposait d'espaces disponibles à proximité réduisant ainsi l'incidence du coût foncier sur la réalisation de cet ouvrage. L'ouvrage envisagé était d'une capacité de 3000 m3 avec un collecteur d'amené de 500 m de long et d'un diamètre de 1200 mm. Le coût de l'ensemble de cet ouvrage était estime a 3 MF. 8

9 3.2.2 Les solutions alternatives La solution technique qui a été étudiée est la mise en place de chaussées réservoir où serait stocké l'ensemble des eaux de ruissellement. Les caractéristiques topographiques de certaines zones ont conduit a mettre en place des structures de stockage en gradins. Par ailleurs, suite à la demande de I'hydrogéologue officiel, les fonds de forme de certains tronçons de voirie ont été étanchés pour protéger la nappe des risques d'apport de pollution depuis la surface. Enfin dernière caractéristique de cette opération : l'alimentation de la structure réservoir se fait essentiellement par des drains latéraux et non par percolation à travers une couche d'enrobé poreux comme cela se fait habituellement Comparaison des coûts A l'aide des détails quantitatifs estimatifs de chacune des deux solutions nous avons établi le coût des deux options. De cette comparaison, il ressort les coûts suivants : Terrassements généraux Voirie Assainissement Bassin de retenue 1 Total Classique Compensatoire F F F F F F F F O00 F La différence annoncée au niveau de la réalisation de la voirie n'est probablement pas significative. En effet dans le cas de la voirie classique, une part relativement importante de la voirie est constituée de béton hydraulique arme balayé ce qui augmente sensiblement le coût. Nous considérerons donc qu'il n'y a en fait pas de différence a ce niveau. C'est donc sur le poste assainissement que l'essentiel de la différence se fait. Un examen détaillé des bordereaux montre les postes où se font les différences. Les différences les plus significatives entre les deux solutions sont regroupées dans le tableau cidessous :

10 Cette comparaison permet de voir l'impact des économies réalisées au niveau de l'assainissement du projet lui-même mais également à un niveau plus élevé puisque la collectivité est dispensée d'utiliser des terrains dont elle est propriétaire tout en respectant la contrainte hydraulique aval. L'aménageur quand à lui réalise une économie conséquente sur la charge foncière. C'est donc la solution technique réservoir qui a été retenue pour cette opération. 4 CONCLUSION La mise en œuvre de solutions compensatoires n'est qu'une partie de la solution aux problèmes posés par les eaux pluviales. II est important d'avoir une vue d'ensemble et aussi complète que possible des problèmes rencontrés. Ceci passe par un effort en matière d'études. Les solutions compensatoires constituent néanmoins une mesure préventive importante permettant des économies importantes tant pour la collectivités que pour les aménageurs. Pour une utilisation efficace des solutions compensatoires, l'ensemble des acteurs doivent être associés à l'élaboration des projets. 1 (1) Moscrip, A.L., Montgomery, D.R., Urbanisation, flood frequency, and salmon abundace in Pudget lowland streams. Journal of the American Water Resources Association VOL. 33 No Colloque "Les bassins nouvelle vague", juin 1992, Conseil général de Seine Saint Denis, Pantin 3 MOREL A L'HUISSIER (A.). Evaluation économique des choix alternatifs en matière d'assainissement, 1988, rapport CERGRENE, 92p. 10

11 Inondation et Gestion de la ville par temps de pluie Colloque des 15 et 16 Novembre 2001 Quelques perspectives pratiques d'étude et d'aide à l'exploitation ouvertes par le radar d'abbeville Le cas de Boulogne Sur Mer.» Auteurs Frédéric CUVlLlER, Adjoint au Maire de BOULOGNE-sur-MER, Guy Jacquet Pierre Voignier, RHEA, Jean-Marc Bourniquel, Générale des Eaux. Résumé La topographie de la ville de Boulogne sur mer est particulière. En moins d'un kilomètre, l'altitude du bassin versant décroît de plus de 110 m pour venir affleurer le niveau de la mer. Ceci implique sur les zones d'apports amont des pentes extrêmement fortes (plus de 10 %). Ces zones ruissellent vers la basse ville (très plate), secteur plus sensible aux inondations depuis la mise en place d'ouvrages complexes pour protéger les eaux de baignade et réduire les déversements par temps de pluie et depuis l'imperméabilisation accélérée des sols par l'urbanisation. La gestion traditionnelle de ces ouvrages par la Générale des Eaux, avec les seules informations de niveaux en réseau, ne permet pas lors d'une pluie importante, de satisfaire systématiquement au double objectif antinomique de garder les eaux dans le réseau pour les traiter et de les évacuer pour éviter les inondations. Pour gérer ces ouvrages, la prise en compte en temps réel de l'information CALAMAR, la mesure de référence de pluie, permet : 0 De prévoir l'évolution des niveaux dans le réseau lors des pluies courantes et cela sans crainte d'erreur (pluviographes bouchés), 0 De ne pas attendre la réaction violente du réseau lors de pluies exceptionnellement fortes pour mettre les ouvrages en configuration de lutte contre les inondations. Secrétariat du Colloque Agence de I'Eau Artois-Picardie - Centre Tertiaire de I'Arsenal rue Marceline - B.P Dotfai Té( O0 - Fax

12 Cette problématique spécifique à Boulogne sur mer permet d ouvrir des perspectives d utilisation des informations CALAMAR, à partir du radar d Abbeville sur tout le territoire couvert par ce dernier pour : 0 Mieux caler les modèles de simulation hydraulique en utilisant les informations du radar d Abbeville lors des pluies exceptionnelles depuis octobre Démontrer la présence d intensité de pluie forte justifiant les déversements dans les bilans d auto surveillance, en dépit des pluviographes bouchés ou d une densité insuffisante pour identifier les cellules convectives de pluie. Summary Boulogne sur Mer rises on its hills II O m above sea level though it is less than 1 km away from the sea shore. Run off from these urbanized steep slopes frequently flood the lower part of the City : 0 Since overflow limiting gates are in operation to stop beach wet weather pollution. 0 Since imperviousness increase due to urbanization. Local reactive real time control of these gates by the Générale des Eaux does not allow to operate these gates to face beach protection in the same time as flood. Predictive real time control using fault free CALAMAR rains information will allow this gate operation, because : 0 0 It predicts accurately sewer water levels, without the risk of blocked rain gauges. It predicts sharp water level rises during high intensity storms, way a head of the gate opening duration. Solving such a specific problem in Boulogne sur Mer will benefit most of the territory seen with the radar of Abbeville in allowing to provide better rain data : 0 For hydrologic modeling of the heavy storms which create unusual run off responses since the radar archive start in ocotber For the detection of high intensity localized storms in overflow events, while gauges are either blocked or too scattered to spot them. 1 CONTEXTE L agglomération boulonnaise est subdivisée en deux zones distinctes délimitées par la Liane, la rive droite très urbanisée et la rive gauche industrielle. La rive gauche, industrielle, est caractérisée par une absence de relief surtout sur les bords de Liane. Pour limiter les rejets au milieu naturel, il est installé un bassin de rétention dans le secteur de Capécure. Plus au sud, sur cette rive, s effectue l épuration de l ensemble des eaux de l agglomération : cette station d épuration n est toutefois plus adaptée au besoin actuel et est en cours de ré habilitation. 2

13 La rive droite de la Liane, urbanisée, est caractérisée par une topographie fortement accentuée avec des pentes pouvant être supérieures à 10 %, sur la partie amont pour se terminer sur les quais de la Liane relativement plats. Sur cette rive le réseau est majoritairement de type unitaire. Les eaux sont envoyées en rive gauche via un siphon sous fluvial traversant la Liane et limitant le débit évacué a un peu plus que le débit de pointe de temps sec, cette limite est gérée en grande partie par le complexe hydraulique situé sous la place Frédéric Sauvage et par la station de pompage (PRA) situé en rive gauche qui refoule ces eaux vers la station d épuration. II suffit d analyser la carte 1 qui présente le bassin versant pour remarquer l importante superficie drainée par la rive droite. Cette surface est du reste la plus urbanisée après la zone industrielle de Capécure. Les débits pluviaux générés sont donc très importants avec un exutoire commun, le complexe hydraulique de la place Frédéric Sauvage. C est cette configuration qui, par forte pluie, entraîne des inondations. Le complexe hydraulique de la Place Frédéric Sauvage, nœud important de la rive droite comprend : Des portes à flots équipant les rejets des égouts principaux (le Vivier et le Marais). Leur vocation première, est d empêcher l intrusion d eau de mer dans le réseau. Parallèlement, ces portes sont aussi gérées pour limiter les inondations lorsque les débits pluviaux sont importants. Un poste de refoulement de la Place Frédéric Sauvage : ce poste a été construit récemment pour diriger vers le siphon sous-fluvial tous les rejets d eaux usées et une partie des eaux de pluie qui ne peuvent pas de façon gravitaire s écouler vers le siphon sous-fluvial. 3

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15 Par ailleurs, le mauvais fonctionnement des réseaux a un impact sur la qualité du milieu naturel. Les investigations réalisées au cours de précédentes études ont conduit à identifier les principaux dysfonctionnements du système d assainissement à l origine de la détérioration de la qualité du milieu naturel : 0 Par temps sec : L existence de rejets directs dans la Liane ; Une insuffisance des capacités épuratoires actuelles. Par temps de pluie : Une insuffisance du système hydraulique de la rive droite de la Liane à transi ter sans déversement les pluies d occurrence faible : les déversoirs d orage fonctionnent souvent et entraînent le déversement d eaux plus ou moins unitaires vers le littoral et la Liane. Si le fonctionnement des réseaux par temps sec est connu, il n en est pas de même pour le fonctionnement par temps de pluie. Les études réalisées jusqu à présent avaient pour principal objectif l amélioration de la qualité du milieu naturel, c est-à-dire l amélioration du fonctionnement par temps sec et pour les pluies d occurrence faible. Le fonctionnement lors de pluies de forte occurrence des réseaux en rive droite de la Liane, ainsi que la gestion des eaux usées par temps de pluie n ont été abordés qu au travers de modélisations simplifiées. En effet, il n existait pas jusqu à présent de cartographie des réseaux d assainissement comportant les informations topographiques nécessaires à la réalisation d études fines du fonctionnement par temps de pluie. La ville de Boulogne sur Mer a entrepris une démarche d amélioration de la gestion du réseau d assainissement desservant la station d épuration de Boulogne sur Mer, correspondant en tout ou partie au territoire de quatre communes (BOULOGNE, OUTREAU, LE PORTEL, et SAINT MARTIN LES BOULOGNE). Partie prenante de cette démarche, l exploitant de ce réseau, la Générale des Eaux, souhaite l accompagner. Cette démarche comprend à la fois : Une étude générale du fonctionnement hydraulique par temps de pluie du réseau d assainissement drainé par la station d épuration de Boulogne sur Mer, attribuée au groupement RHEA-KISTERS en février 2001, avec l assistance à la maîtrise d ouvrage d AMODIAG. 0 Un équipement en outils d assistance a l exploitation afin que l exploitant du réseau puisse utiliser et faire vivre les modèles et les informations rassemblées au cours de l étude générale. 5

16 2 L APPROCHE RETENUE Le groupement RHEA-KISTERS s est engagé à fournir une solution d aménagement assurant la protection contre les inondations du réseau d assainissement de Boulogne sur Mer. Un tel engagement n est possible qui si sont disponibles des informations lors des évènements ayant créé ces inondations. II eut été imprudent d extrapoler des informations obtenues lors d une campagne de mesures de courte durée, ayant peu de chance de permettre des observations de pluie engendrant des désordres. En effet, lors de pluies exceptionnelles, il se produit des désordres qui ne s observent pas lors de pluies de forte occurrence : Les singularités, les dépôts charriés, les bâtards flottants,... créent des pertes de charge inobservables aux débits fréquemment observés 0 Les limites de capacité d engouffrement des avaloirs ne sont pas observables lors des ruissellements courants 0 Les apports de ruissellement exceptionnels, dus aux terrains perméables saturés des bassins versants amont ruraux ou moins urbanisés que la partie basse, ou aux terrains imperméables non directement raccordés au réseau. Pour cela il est nécessaire d étudier la sensibilité à ces désordres des hauteurs d eau maximum observées dans la ville : en utilisant le modèle de simulation du réseau d assainissement, et en l alimentant avec les lames d eau tombées toutes les cinq minutes sur les bassins versants du modèle. Ces lames d eau, issue du service CALAMAR, sont calculées à partir des données provenant du radar d Abbeville, et des données de pluviographes proches existants au moment des évènements. Le procédé de traitement a été breveté par RHEA. La maîtrise des déversements au milieu naturel se fait aussi sur la base de solutions d aménagements obtenus par simulation grâce au modèle calé pour des orages importants. Dans ces conditions les résultats de simulation offre un coefficient de sécurité acceptable vis-à-vis du risque de déversement d eaux usées par temps de pluie. L intérêt de l étude avec un modèle intégrant la donnée CALAMAR de pluie est qu il permet facilement à terme de définir des stratégies de gestion des ouvrages du réseau (gestion prédictive et évolutive). Ce mode de gestion prédictif permet de concilier les objectifs contradictoires de lutte contre les inondations et de lutte contre la pollution. Le premier impose par exemple pour un bassin de rétention qu il soit toujours prêt A absorber la pointe de débit (bassin,presque toujours vide pour des pluies de faible à moyenne importance), alors que le suivi de l objectif lutte contre la pollution incite à utiliser le bassin le plus fréquemment possible pour limiter les rejets au milieu naturel. 6

17 La gestion prédictive par la prise en compte de la nature de l événement pluvieux, avant que ne monte les eaux, permet alors d identifier le risque encouru et de basculer les consignes de gestion des ouvrages vers l objectif le plus approprié. La gestion prédictive parait être le prolongement naturel du mode d exploitation actuelle avec astreinte, car elle permet à l exploitant d adapter ses consignes d exploitation au risque de déversements, et pas seulement au risque d inondation. 3 CALAMAR : a Comment ça marche? Le service CALAMAR se décline en deux mode de fonctionnement, celui en temps différé et celui en temps réel. En temps différé, le service CALAMAR est alimenté par l opérateur en données en relation avec un épisode pluvieux particulier à analyser. En temps réel, le service CALAMAR s alimente de lui même chaque cinq minutes de deux données nécessaires à son bon fonctionnement. Ces données proviennent de deux sources d informations différentes. La première est la donnée radar produite par METEOFRANCE aux besoins de l utilisateur et rediffusée et archivée immédiatement sur le serveur d images de RHEA. Cette donnée radar retravaillée provient des images dites originales produites par METEOFRANCE. La seconde est la donnée pluviométrique propre à la collectivité, issue d un réseau dont la densité et le mode d acquisition fixeront les performances de qualité. Ces deux informations subissent alors des traitements spécifiques (élimination dans l image radar des imperfections comme les échos de sol, advection des images pour homogénéiser cette source d information à celle des données sol, puis calibration des images par les données sol). Ces traitements sont importants et vitaux, car l information radar seule n est pas une information de pluie. Le radar ne sait pas mesurer la pluie, il mesure la réflectivité des gouttes d eau qui n est pas liée par une loi linéaire avec le volume d eau associé à ces gouttes. Cette loi nécessiterait de connaître en chaque instant et en tout point la distribution des tailles de gouttes d eau, information inaccessible avec les moyens opérationnels actuels. Sans cette information le rapport entre information radar et information de pluie peut aller du simple au décuple. On conçoit donc aisément que l information radar seule ne peut être utilisée que de manière qualitative. Pour la transformer en information quantitative, il est donc nécessaire de la rattacher à une référence. Cette référence est la donnée pluviographique observée au sol. Le couplage de ces deux informations, appelé calibration dans le service CALAMAR permet alors de transformer l information radar en information de carte de pluie. Ces cartes de pluies ont alors les caractéristiques temporelles et dimensionnelles des images radar, à savoir un échantillonnage toutes les cinq minutes et une discrétisation spatiale de 1 km. La figure deux illustre ce principe. 7

18 ~ ~ ~ -. Rad a r d 'Ab bev i I e *" I&-".-rj --.. ' Traitement de I'image radar correction des échos de sol Suivi continu du déplacement 1 =ADVECTION i Correction de l'intensité radar par des mesures ponctuelles au sol = CALIBRATION CALAMAR Temps réel i Figure 2 : mode de fonctionnement du service CALAMAR Pour la ville de Boulogne sur Mer, c'est le radar d'abbeville qui est exploité dans le cadre de sa démarche d'amélioration de la gestion du réseau d'assainissement desservant la station d'épuration de Boulogne sur Mer. Ce radar a un rayon d'action de plus de 250 km. Mais d'un point de vue hydrologique, la portée est limitée à une distance moindre d'environ 100km. Cette portée peut fluctuer en fonction de la qualité de l'image radar originale produite sur un secteur donné. La figure trois illustre le rayon d'action (( hydrologique )) du radar situé à proximité d'abbeville et montre bien les incertitudes sur des agglomérations importantes comme, Dunkerque, Lille ou Saint Quentin. 8

19 COUrbeS lrohykar (Anndor 196Ob 19%) Prdciplîntlons en MM /An.z600 d8 8ûû B 900 dsswl Io00 HELPE Figure 3 : couverture du radar d Abbeville (portée 100 km) A l intérieur de cette portée, l exemple de la ville de Boulogne sur Mer permet de présenter le rôle clef du service CALAMAR dans la démarche entreprise par la ville de Boulogne sur Mer. 4.LA PLUIE 19 AOUT 1999 SUR LA VILLE DE BOULOGNE SUR MER La pluie du 19 août 1999 est une pluie ayant provoqué de fortes inondations. C est une pluie exceptionnelle qu il est important de traiter pour comprendre les mécanismes de ruissellement mis en jeu sur la ville de Boulogne. Cette pluie a été classée comme ayant une période de retour supérieur a 50 ans sur son cumul en deux heures par le centre départemental de la météorologie de Boulogne sur mer. A l époque, la seule donnée pluviometrique locale disponible a pas de temps fin ( 6 minutes) est celle du poste de Météo France située sur la commune de Boulogne sur Mer. Si cette pluie possède une hétérogénéité importante, il n est pas opportun d appliquer le hyétogramme de pluie issu de ce poste a l ensemble du bassin versant. 9

20 Grâce à l information radar, il est alors possible d accéder à la carte de pluie sur la ville de Boulogne sur Mer à condition de disposer d un nombre suffisant de poste pluviométriques à pas de temps fin (de 5 à 15 minutes). Pour cela, il est nécessaire de recourir à des informations pluviométriques issues de postes ayant été touchés par cet épisode. Les postes de la DIREN (Dévres et Wirvignes), de MétéoFrance (Boulogne, Desvres et le Touquet) ont été exploités. Par ailleurs un poste pluviographique à enregistrement papier, situé à la station d épuration, était aussi disponible ; mais son interprétation était délicate. Tous ces postes ont permis de traiter les images radar pour produire les cartes de pluies de cet épisode comme le montre la figure 4. II faut remarquer que ces postes n auraient pas pu être exploités dans le cadre de la modélisation du comportement du réseau d assainissement à cette pluie, car il sont distants pour certain de plus de 20km de la zone d étude. i ilil! di., i3oliiogtlg 413r tncr Cumul pixel en Cumul pluvio en Erreur en YO mm mm O Station d épuration non significatif Devres Diren Bassins Versants Cumul (en mm) Bassins Elémentaires Période de retour ZAC Liane 13 7 ZAC Liane Aucun depassement Outreau Portel 22 6 Outreau Portel 2 à 5 ans sur 60 minutes (14.3 mm) Capecure à 30 ans sur 60 minutes (19.9 mm) Diderot 16 2 Diderot Aucun depassement Daunou 20 4 Daunou 2 à 5 ans sur 30 minutes (10.8 mm) Centre ville 33 3 Centre ville 5 à IO ans sur 30 minutes (14.8 mm) Egout Vivier Sainte-Beuve O IO à 30 ans sur 30 minutes (15.5 mm) IO à 30 ans sur 30 minutes (18.3 mm) Figure 4 : répartition spatiale de la pluie du 19/08/1999 et analyse du rendu de cet épisode. La figure 4 représente trois informations. La première est la carte de pluie du cumul de l épisode ; chaque petit carreau de couleur représentant un pixel de pluie ayant une surface de 1 km2. On se rend compte de l hétérogénéité de cette pluie : moins de 5 mm et plus de 50 mm sur le pixel le plus touché La seconde information, située à droite de la carte de pluie présente le cumul obtenu au pixel radar en relation avec le pluviographe au sol, le cumul du pluviographe au sol et l erreur entre ces deux sources d information. II faut noter que le cumul du pixel radar prgvient de l information radar traité par le service CALAMAR, ce n est pas l information radar originale. On constate que l erreur est de faible importance, elle est inférieure à 20%, niveau qui correspond au bruit de mesure des deux sources d information sachant qu elles sont acquises de manière complètement différentes.

21 Enfin, la troisième information correspond au cumul de pluie sur différents secteur de la ville de Boulogne et l analyse automatique que le service CALAMAR effectue quant à l importance de la période de retour qui en découle. On remarque que des zones (égout du Vivier) ont été touchées par de la pluie dont la période de retour dépasse les 30 ans en trente minutes. Sur d autres secteurs la pluie a été relativement modeste(zac Liane). Même sur une zone de la taille de Boulogne sur Mer, (4 km par 5 km), la pluie peut être très hétérogène. La seule donnée pluviographique n aurait pu rendre, pour cet épisode historique, ce résultat. Cette information de carte de pluie permet alors de fournir une entrée de pluie aux modèles bien plus précise que celle du pluviographe du Sémaphore, malgré sa proximité. Cela procure gain de temps lors du calage du modèle et précision sur la valeur des coefficient de ruissellement des bassins versants. II en découle un meilleur calage et par la suite une définition plus juste et appropriée des aménagements pour remédier aux dysfonctionnements du réseau quant à la lutte contre les inondations et la lutte contre la pollution. Le couplage de l information radar et de l information pluviographique permet aussi de critiquer et de contrôler la qualité des données pluviographiques. En effet, l information radar est acquise par un seul instrument dont I horodatage est extrêmement précis. Alors que la donnée pluviographique (issu pour cet épisode de plusieurs organismes) est bien souvent datée à la source par une horloge propre à chaque pluviographe. Toutes ces horloges dérivent et il est très difficile de connaître avec précision les erreurs qui sont commises s il n y a pas une autre référence pour permettre une comparaison. Le procédé de calibration permet lui de se rendre compte de ces décalages comme le montre la figure 5 suivante. 11

22 Pluvio STEP :Recalé de 1 heure Dèvres Météo France recalé de -30 minutes. (info (( papier») Figure 5 : critique de données pluviographiques La partie gauche montre le poste de la station d épuration (enregistrement papier), la partie droite montre le poste de Desvres Météo France. La donnée pluviographique est représentée par un hyétogramme en (( rectangle», la donnée calamar en hyétogramme bâton». Ces deux postes pluviographiques, sans référence radar montre un fonctionnement correct. On ne peut pas déceler à priori un décalage temporel. Mais en s appuyant sur la référence temporelle du radar, il apparaît immédiatement que le synchronisme est mauvais. Pour le poste de la STEP, la donnée est en avance d une heure, il est évident que lorsque le radar voit de la pluie, le pluviographe doit en voir aussi (ce qui n est pas le cas sur l image non recalée). Pour le poste de Dèvres la donnée est en retard de 30 minutes. Ce processus est très important, car il permet rapidement d identifier les postes pluviographiques déréglés par désynchronisation temporelle ou bien les postes bouchés. Dans ce dernier cas l information pluviographique est très {( molle B alors que l information radar réagit beaucoup plus promptement. II permets en outre un entretien efficace d un parc de pluviographes et s insère complètement dans la logique de la mise en place de l auto surveillance. 12

23 5.PERSPECTIVES Dans le cadre de la démarche entreprise par la ville de Boulogne sur mer, demandant une garantie sur la solution d aménagement du réseau et de son exploitation, l utilisation de la mesure de référence de pluie, a été jugée indispensable. La mesure de référence de la pluie permet en effet : 0 D accéder aux informations sur des épisodes pluvieux exceptionnels tombés depuis la date de mise en service du radar (octobre 1995), informations essentielles pour : le calage du modèle mathématique simulant le comportement du ruissellement sur le bassin versant et dans le réseau d assainissement, le re-dimensionnement avec des pluies réelles des solutions d aménagement appropriées à résorber les dysfonctionnements constatés, 0 De contrôler la qualité des données pluviographiques et de la fiabiliser, De faciliter la mise en place de l auto surveillance, 0 D aller progressivement vers une gestion en temps réel prédictive du réseau d assainissement, par l aide à la décision qu elle procure sur le choix de la stratégie à adopter pour définir les consignes de gestion des ouvrages. Dans ce cas, un ouvrage n est plus construit pour lutter contre les inondations ou pour lutter contre la pollution. II intègre se double objectif si souvent contradictoire quant à la définition des valeurs de consignes (maintenir à vide un bassin de rétention pour absorber le pic de débit, ou l exploiter le plus possible pour limiter les rejets au milieu naturel). Le radar d Abbeville, avec sa portée de plus de 100 km, couvre de nombreuses villes. Nombre d entre elles ont fait l expérience de dysfonctionnements de leurs réseaux d assainissement vis-à-vis des objectifs de lutte contre les inondations et/ou la pollution. La mesure de référence de pluie, utilisant les données du radar d Abbeville et celles des réseaux pluviographiques, apporte une pierre d angle à la construction d aménagements de lutte contre ces désordres. 13