ÉTUDE HYDROLOGIQUE, HYDRAULIQUE ET GÉOMORPHOLOGIQUE

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1 ÉTUDE HYDROLOGIQUE, HYDRAULIQUE ET GÉOMORPHOLOGIQUE Rapport de laboratoire GAE-3005 Aménagement des cours d eau et conservation des sols Automne 2015 Présenté par Signature Christine Bouchard Marie-Ève Brochu David Dugré Rémy Gâteau Bégin Philippe Morais décembre 2015

2 Table des matières 1. Introduction Étude hydrologique Étude hydraulique Étude géomorphologique... 7 a. Méandre et sinuosité b. Dégradation et aggradation c. Classification du cours d eau Conclusion Références Annexe A Annexe B Annexe C ii

3 Table des tableaux Tableau 1 : Méthode utilisée, temps de concentration Tableau 2 : Hauteur de précipitation, débits selon l intensité et Hru selon la hauteur de pluie Tableau 3: Hauteurs d eau correspondant aux différents débits de récurrence Tableau 4: Vitesses moyennes d'écoulement correspondant aux différents débits de récurrence Tableau 5: Débits plein bord et puissances pour les profils transversaux du tronçon étudié... 8 Tableau 6 : Valeurs de sinuosité Tableau 7 : Classification des sous-tronçons à partir des profils Tableau 8: Coefficients de Manning des rives et du lit mineur utilisés selon les différents profils transversaux des sous-tronçons Tableau 9: Détail des coefficients de Manning applicable aux berges et aux plaines inondables pour chacun des sous-tronçons Table des figures Figure 1: Hauteur d'eau en fonction de la récurrence des débits... 6 Figure 2: Vitesse moyenne d'écoulement en fonction de la récurrence des débits... 7 Figure 3: Classification de Gosgen (Lagacé, 2015A) Figure 4: Plan global (Bouchard, 2015) Figure 5 : Profil Figure 6 : Profil Figure 7 : Profil Figure 8 : Profil Figure 9: Profil Figure 10: Profil iii

4 1. Introduction Le mandat qui a été confié aux étudiants du cours d aménagement des cours d eau et conservation des sols de l Université Laval est de caractériser et d analyser un tronçon d un tributaire de la Rivière du Berger, situé dans le Parc de l Escarpement, dans la ville de Québec. Ce tributaire se situe à l ouest de l intersection du boulevard Robert-Bourassa et du boulevard Lebourgneuf. L accès au point le plus en amont du tributaire qui est un ruisseau, s effectue à partir du quartier résidentiel derrière le parc. À la rue de la Rive Boisée N. deux bassins d orage sont présents et ceux-ci sont le point de départ du ruisseau en question. La localisation plus précise peut être observée à l aide des figures 1 et 2 du rapport Bouchard (2015A). L objectif de ce présent rapport est de présenter les études hydrologique, hydraulique et géomorphologique du tronçon étudié afin de bien évaluer les capacités et l évolution potentielle que le tronçon à l étude (tronçon #1) peut avoir. Ce présent rapport est une présentation de ces trois éléments étudiés. 2. Étude hydrologique C est une zone résidentielle de 500 m par 800 m avec une pente moyenne de 3% et la longueur maximale est estimée à 1250 m (Google Earth, 2015). Le Coefficient de ruissellement à été estimé à 0.4 puisque le sol est de l argile compacte pour une pente inférieure à 5% et un sol déboisé et friche. Le bassin versant est résidentiel donc peu d infiltration et beaucoup du ruissellement, mais il y a une zone tampon, deux bassins de rétention avec un déversoir supposé contrôlé le débit et réduire l impact des crues. Pour cette étude, les débits de récurrences de 2, 5, 10, 20, 50, 100 ans sont estimés. Ces débits ont été calculés avec la méthode rationnelle proposée dans les notes de cours du chapitre 12 (Lagacé, 2015). Le tableau 1 présente la méthode utilisée, selon les temps de concentration. 1

5 Tableau 1 : Méthode utilisée, temps de concentration. Méthode tc Hru Qmax Rationnelle traditionnelle Kirpich, Bransby Williams, Aéroport, Mockus, SCS-Lag Coefficient de ruissellement [12.6] Rationnelle [12.17] Celle-ci est valide pour plusieurs méthodes de calcul du temps de concentration. Les méthodes sélectionnées sont Bransby Williams et SCS-Lag puisque les valeurs se trouvent entre Kirpich qui sous-estime et l aéroport qui surestime le temps de concentration (Guillou, 2012). Puis, les valeurs de transformation d intensité de précipitation en débits et en hauteur de précipitation ont été trouvées grâce au courbe HDF (Alain Mailhot et Guillaume Talbot, INRS-ETE, 2011). Le temps de concentration moyen trouvé pour les deux méthodes est de 40 minutes. Une interpolation entre les valeurs des courbes HDF 30 min et 60 min a été effectué. Les courbes HDF permettent de transformer le temps de concentration en hauteur de pluie et intensité de pluie qui servent à calculer le Hru et débit pour la période de retour avec les équations suivantes : Hru = C P Où : C est le coefficient de ruissellement P est la hauteur de précipitation. Où : I est l intensité de précipitation Tc est le temps de précipitation Où : Q est le débit de pointe (m 3 /s) Q = C est le coefficient de ruissellement I = P t c C I A 360 I est l intensité de la précipitation (mm/h) = I (tc, T) 2

6 A est la superficie du bassin versant (ha) Les tableaux 2 et 3 présentent les valeurs de débits et de Hru trouvés pour chaque période de retour en utilisant les équations précédentes. Tableau 2 : Hauteur de précipitation, débits selon l intensité et Hru selon la hauteur de pluie. 2 ans 5 ans 10 ans 20 ans 50 ans 100ans P (mm) Débit (m 3 /s) Hru Étude hydraulique Pour permettre d évaluer les profondeurs d eau et les vitesses d écoulements en fonction des différentes récurrences demandées, les coefficients de Manning ont été évalués en considérant les plaines inondables de chacune des sous-sections. Dans le rapport précédent (Bouchard, 2015A), les coefficients de Manning ont été évalués en considérant seulement le lit mineur. Par contre cette fois-ci les plaines inondables doivent être considérées puisque selon la récurrence des débits, l écoulement va déborder du lit mineur. Le coefficient de Manning est estimé selon la méthode des coefficients décrite dans les notes de cours d aménagement des cours d eau et conservation des sols (Lagacé, 2015), pour chacune des berges du ruisseau, et les valeurs obtenues dans le rapport précédent sont utilisées pour le lit mineur (Bouchard, 2015A). Pour chacun des sous-tronçons, soient le delta, la zone intermédiaire, la zone marécageuse et les trois chenaux, des profils transversaux ont été effectués dans le rapport précédemment (Bouchard, 2015A), permettant de bien visualiser la géométrie complexe du cours d eau dans chacune des sections du tronçon à l étude. Ces profils qui sont présentés aux figures 5 à 10 de l Annexe C, sont utilisés pour permettre de déterminer l aire de la section d écoulement ainsi que les rayons hydrauliques qui sont nécessaires aux calculs des coefficients de Manning moyen. Le tableau 7 de l annexe A présente les coefficients de Manning évalués pour chacun des 6 profils transversaux de l Annexe C, qui 3

7 proviennent des différents sous-tronçons à l étude. Les résultats sont divisés de sorte que le coefficient de Manning est évalué en fonction des berges et des plaines inondables et en fonction du lit mineur, pour ensuite évaluer le coefficient de Manning moyen selon la méthode présentée dans les notes de cours (Lagacé, 2015A) : n = A 2 3 irh i A i n i Rh i 2 3 Où Ai, Rhi et ni correspondent respectivement à l aire, au rayon hydraulique et au coefficient de Manning de la division i du profil étudié. Avec l aide du coefficient de Manning moyen, il est possible de calculer le débit à partir de l équation de Manning : V = Rh2 3 S 1 2 n Q = V A. Où V est la vitesse d écoulement dans le profil étudié et S la pente du lit. Puisque l aire, le rayon hydraulique et le coefficient de Manning moyen sont dépendants de la hauteur d eau, cette dernière doit être déterminée par itération afin de faire correspondre le débit à une valeur connue. Grâce au solveur d Excel, les valeurs de hauteurs d eau sont déterminées, ainsi que les aires, les rayons hydrauliques et le coefficient de Manning moyen de chacun des 6 profils transversaux. Cette étape est effectuée selon chacun des débits de récurrence indiquée au tableau 2, pour chacun des sous-tronçons. Le tableau 3 présente les hauteurs d eau correspondantes aux différents débits de récurrence de 2, 5, 10, 20, 50 et 100 ans évalués précédemment. Il est à noter que la moitié du débit a été considéré dans les parties a et b des profils 3 et 6, qui sont présentées aux figures 7 et 10 de l Annexe C. 4

8 Hauteur d'eau dans le profil (m) Tableau 3: Hauteurs d eau correspondant aux différents débits de récurrence. Récurrence 2 ans 5 ans 10 ans 20 ans 50 ans 100 ans Débits (m 3 /s) profils Hauteurs d eau (m) a b a b La figure 1 présente les hauteurs d eau obtenues selon la récurrence des débits pour chacun des profils. 0,9 0,8 Profil 1 Profil 2 Profil 3a Profil 3b Profil 4 Profil 5 Profil 6a Profil 6b 0,7 0,6 0,5 0,4 0, Récurrence du débit (années) 5

9 Figure 1: Hauteur d'eau en fonction de la récurrence des débits Les valeurs estimées de hauteur d eau se situent environ entre 0.35 et 0.85 mètres, dépendamment de la configuration du profil. La vitesse moyenne d écoulement dans chacun des profils est calculée en divisant le débit par l aire trouvée en fonction de la hauteur d écoulement. Le tableau 4 présente les vitesses d écoulement dans chacun des profils en fonction de la récurrence des débits. Tableau 4: Vitesses moyennes d'écoulement correspondant aux différents débits de récurrence. Récurrence 2 ans 5 ans 10 ans 20 ans 50 ans 100 ans Débits (m 3 /s) profils Vitesse (m/s) , a b a b Les vitesses se situent environ entre 0.5 et 2.2 mètres par seconde. La figure 2 présente les vitesses d écoulement en fonction de la récurrence des débits pour chacun des profils. 6

10 Vitesse dans le profil (m/s) 2,5 2,3 Profil 1 Profil 2 Profil 3a Profil 3b Profil 4 Profil 5 Profil 6a Profil 6b 2,1 1,9 1,7 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0, Récurrence du débit (années) Figure 2: Vitesse moyenne d'écoulement en fonction de la récurrence des débits 4. Étude géomorphologique Afin de déterminer le débit plein bord, chaque profil transversal a été divisé en sections complexes. Les sections complexes utilisées sont les mêmes qu à la section 3 (Étude hydraulique) du présent rapport. L annexe C présente les divisions utilisées pour chaque profil transversal, ainsi que la ligne d eau de la hauteur plein bord, qui correspond à la hauteur du lit mineur du cours d eau. Les coefficients de Manning utilisés sont ceux présentés au tableau 7 de l annexe A. Le débit plein bord est donc le débit correspondant à la hauteur du lit mineur. Le débit plein bord est calculé, tout comme pour les autres débits indiqués précédemment, à l aide de l équation de Manning : 7

11 Q b = 1 n Rh2/3 S 1/2 A Puisque chaque profil transversal est divisé en sous-section, le débit plein bord est calculé pour chacune des sous-sections et ensuite additionné. La puissance du cours d eau ainsi que la puissance spécifique ont également été calculée pour chacun des profils, et sont définis respectivement par les équations suivantes : Ω = ρgq b S ω = Ω w Où : Ω est la puissance du cours d eau (W/m) ρ est la masse volumique de l eau (1000 kg/m 3 ) g est l accélération gravitationnelle (9,81 m/s 2 ) Q b est le débit plein bord (m 3 /s) S est la pente du cours d eau (m/m) ω est la puissance spécifique (W/m 2 ) w est la largueur du cours d eau en vue de dessus (m) Le tableau 5 présente les résultats obtenus pour chaque profil transversal. Tableau 5: Débits plein bord et puissances pour les profils transversaux du tronçon étudié Sous-tronçons Profils transversaux Hauteur d eau plein bord (m) Débit plein bord (m 3 /s) Puissance (W/m) Puissance spécifique (W/m 2 ) Delta Intermédiaire Marais Chenal principal Chenal intermédiaire Zone marécageuse Chenal 1 Chenal 3 Chenal 2 Chenal a 3b 4 5 6a 6b

12 Le tableau 5 montre que la puissance spécifique est très élevée pour la section du Delta. Ceci est cohérent, car le profil transversal se situe avant la séparation du delta en deux chenaux (Annexe B) et que la vitesse à cet endroit est très élevée puisque ce profil se situe à la fin d une zone ravinée. Cependant, le débit obtenu (3,51 m 3 /s) est beaucoup plus élevé que le débit de récurrence de deux ans (1,32 m 3 /s), ce qui suggère une surestimation de l emplacement de la hauteur plein bord. Une puissance spécifique aussi élevée à cet endroit suggère une forte tendance à l érosion. L élargissement important à l aval du profil 1 suggère une diminution de la puissance spécifique, ce qui favorisera la déposition dans le delta. Le tableau 5 montre d ailleurs que la puissance spécifique est beaucoup plus faible à la section intermédiaire. Selon Brooke (1990), les tronçons ayant une énergie spécifique entre 5 et 35 W/m 2 seraient stables, et ceux avec une énergie spécifique sous 8 W/m 2 et au-dessus de 35 W/m 2 ont respectivement tendance à la sédimentation et à l érosion (Lagacé, 2015). Le tableau 5 montre que la zone marécageuse et le chenal 3 (Sous-tronçon du marais) sont stables, et que les autres sections auraient plutôt tendance à l érosion selon la classification de Brooke. Pour la section du Delta, il aurait été intéressant d avoir aussi un profil transversal à l endroit où il était large afin de déterminer si la puissance spécifique était bien sous 8 W/m 2, puisque cette zone semble propice à la déposition. Que ce soit pour un cours d eau naturel ou modifié par l homme, la géomorphologie des cours d eau étudie leur formation et leur évolution. Influencé par le relief et la géomorphologie du sous-sol, les cours d eau se rejoignent pour former un réseau de drainage qui modifie le paysage (Lagacé, 2015A). Le tronçon du cours d eau étudié, présenté à l annexe B avec les sous-tronçons, se situe dans un parc et le sous-tronçon intermédiaire suit un sentier pédestre. Alors une analyse du comportement possible du cours d eau doit être faite afin qu il n y ait pas de risque pour l infrastructure. 9

13 a. Méandre et sinuosité Le premier point ici observé est la sinuosité du cours d eau qui est déterminé avec l équation suivante (Lagacé, 2015A) : I s = L λ La formule a été directement appliquée à la longueur totale du tronçon et en considérant tous les parcours possibles et aussi à tous les sous-tronçons présentés à la figure 4 (Annexe B).Sur cette même figure, les parcours sont identifiés à l aide de chiffres en gras et le résultat de la sinuosité est présenté au tableau 6 qui suit. Tableau 6 : Valeurs de sinuosité Total Is Selon ces résultats, peu importe le bras évalué, le cours d eau est sinueux puisque les valeurs sont entre 1.05 et 1.5. b. Dégradation et aggradation Le phénomène de dégradation est lié avec une vitesse d écoulement élevé qui applique des forces plus importes que les forces de cohésion des particules de sols, ce qui érode le cours d eau et permet de déplacer les particules de sols dans l eau. Dépendamment du diamètre, de leur masse et de la vitesse d écoulement, ces particules vont rouler, faire des bons ou rester en suspension pour se rendre à un secteur de la rivière où l énergie n est pas suffisante pour les transporter plus loin, à ce point il y a déposition. S il y a autant de sédimentation que de transport, la section est en équilibre et lorsque la quantité de sédiments est en plus grande quantité, il y a aggradation. Le tronçon du ruisseau à l étude est une section moins abrupte qu en amont, ce qui implique une diminution du niveau d eau et une déposition. En fait, il y a deux sections qu il est possible d observer ce phénomène ; le sous-tronçon du delta et celui du marais. Le Delta, par son élargissement soudain, diminue le niveau d eau en augmentant ainsi la friction, donc réduisant la vitesse. La figure 6 à l annexe A du rapport Bouchard (2015A) permet d observer l élargissement important à cet endroit. La figure 7 du même rapport permet 10

14 d observer une présence de végétation. À cet endroit la profondeur d eau augmente dû à la diminution de la vitesse, ce qui augmente la possibilité de sédimentation à cet endroit. c. Classification du cours d eau Les cours d eau peuvent être classifiés selon de nombreux systèmes de classifications. Ici la classification de Rosgen (Lagacé, 2015A) est utilisée, puisque celle de Leopold et Wolman (1957) et Schumn (1968) (Lagacé, 2015A) ne permet pas de bien classifier le cours d eau à l étude parce que les catégories ne sont pas suffisamment précises avec 4 catégories. La figure 3 qui suit présente la classification utilisée. Figure 3: Classification de Gosgen (Lagacé, 2015A) Cette classification se sépare en trois principales catégories basées sur le rapport de la largeur sur la profondeur pour l écoulement plein bord (W/D) pour poursuivre avec des sous-catégories basées sur le rapport entre la largeur de la plaine inondable sur la largeur plein bord (ER). Avec les profils transversaux et la vue en plan (Bouchard, 2015A), il est possible d avoir un aperçu des valeurs correspondantes des sous-tronçons et du fait même du tronçon à l étude. Le tronçon a d abord été analysé pour les sous-tronçons d abord et par la suite pour son entièreté. Le tableau 6 qui suit présente les valeurs obtenues pour les 11

15 sous-tronçons et leur classification. De ces valeurs obtenues, le tronçon peut être catégorisé comme une large plaine alluviale servant de plaine inondable. Cette catégorie est habituellement très stable, ce qui semble correspondre à ce qui a été observé sur le terrain. Tableau 7 : Classification des sous-tronçons à partir des profils Sous-tronçon Section delta Section intermédiaire Section marais Profil 1 2 3a* 3b 4 5 6a 6b Largeur au miroir écoulement plein bord (W)(m) Profondeur plein bord(d)(m) W/D Largeur plein bord* Largeur plaine inondable* ER Classification** G E E E C E E E *Ratio mesurés avec une règle sur la vue en plan. ** Les lettres correspondent à ce qui correspond à la figure Conclusion D après les intensités de précipitations présentées au tableau 2, le débit de crue de deux ans dans le ruisseau est de 1.32 m 3 /s et peut monter jusqu à 3.06 m 3 /s une fois en cent ans. L étude hydraulique su système permet de déterminer le coefficient de Manning moyen des profils, la hauteur d eau et la vitesse moyenne d écoulement en fonction des différentes récurrences de débit. Les résultats sont présentées respectivement au tableau 6 (annexe A), aux tableaux 3 et 4. Les figures 1 et 2 présentent l évolution de la hauteur d eau et de la vitesse d écoulement, qui varient respectivement entre 0.35 et 0.85 mètres et entre 0.5 et 2.2 mètres par seconde. Le calcul du coefficient de Manning permet également d évaluer le débit plein bord des profils, qui varient selon leur configuration, entre 0,08 m 3 /s dans le marais et 3.51m 3 /s dans le delta. Ces débits permettent d évaluer la puissance spécifique d écoulement qui varie entre 20 et 659 W/m 2. Les résultats sont présentés en détail au tableau 5. 12

16 Le cours d eau est sinueux, avec un indice de sinuosité variant entre 1.05 à 1.5 (tableau 6). D après les différents chiffres, la majorité du cours d eau n est pas stable, la section 4.b. présente les endroits susceptibles de présenter des signes d aggradation et de dégradation. Finalement, d après la classification de Rogsen, le cours d eau est considéré comme une large plaine alluviale servant de plaine inondable. 6. Références Lagacé, Robert, 2015A. Notes de cours aménagement des cours d eau et conservation des sols GAE-3005, Université Laval, Québec, 330 pages. Lagacé, Robert, 2015B. Protocole de laboratoire. Cours aménagement des cours d eau et conservation des sols GAE-3005, Université Laval, Québec, 1 pages. Bouchard, Christine et al., 2015A. Rapport de laboratoire : description du cours d eau, GAE-3005, Université Laval, Québec, 24 pages. 13

17 Annexe A Tableau 8: Coefficients de Manning des rives et du lit mineur utilisés selon les différents profils transversaux des sous-tronçons. Sous-tronçons Delta Intermédiaire Marais Chenal principal Chenal intermédiaire zone marécageuse Chenal 1 Chenal 3 Chenal 2 Chenal 1 Profils transversaux 1 2 3a 3b 4 5 6a 6b Coefficient de Manning Rives et plaine inondables Coefficient de Manning Lit mineur Coefficient de Manning Moyen

18 Tableau 9: Détail des coefficients de Manning applicable aux berges et aux plaines inondables pour chacun des sous-tronçons. Coefficients Delta Zone intermédiaire Chenal 1 Zone marécageuse Chenal 2 Chenal 3 n n n n n n n

19 Annexe B Vue en plan Figure 4: Plan global (Bouchard, 2015) 16

20 Annexe C Délimitation des profils transversaux en sections complexes et ligne d eau du débit plein bord. Figure 5 : Profil 1 Figure 6 : Profil 2 17

21 Figure 7 : Profil 3 Figure 8 : Profil 4 18

22 Figure 9: Profil 5 Figure 10: Profil 6 19