Interactions en crue. entre drainage souterrain. et assainissement agricole

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1 Interactions en crue entre drainage souterrain et assainissement agricole Yves NÉDÉLEC 0

2 Plan de l'exposé I. : Drainage intensif et crues de petits bassins versants II. des mesures de terrain du fossé III. IV. V. 1

3 I. Bassins versants à dominante agricole et d'ordre inférieur à 2 Forte implantation du drainage et de l'assainissement Objectifs de limitation des crues Ralentissement par de petits obstacles répartis sur le réseau d'assainissement Stockage temporaire préservant la continuité du lit du fossé 2

4 Dimensionnement et rôle des drains enterrés : Écartement et profondeur sont reliés pour atteindre un objectif de rabattement de nappe Le diamètre des collecteurs est choisi pour évacuer, avant le passage en charge, une pluie de 3 jours, d'une période de retour d'un an 3

5 Dimensionnement et rôle du fossé : Section calculée pour évacuer un débit d'une période de retour de un ou deux ans, sans gêne pour les rejets de drainage Sur-capacité de transfert due à la profondeur des drains 4

6 Mise en jeu d'ouvrages de ralentissement : Réduction locale de la section du fossé, pour être limitant au delà du débit de projet Réaménagement d'obstacles existants ou implantation de nouveaux ouvrages 5

7 Stockage temporaire : Débordement dans le lit majeur Action dynamique et temporaire d'une succession d'obstacles 6

8 II. des mesures de terrain du fossé Le résultat d'observations et de réflexions menées depuis plusieurs années : 1. Les débits spécifiques mesurés localement peuvent ne pas suivre une logique d'échelles emboîtées 2. Le ralentissement par les obstacles peut être moindre que dans les réseaux enterrés 3. Le passage en charge des collecteurs joue un rôle clé lors de la formation de la crue 7

9 Mesures : comparaison pluie / collecteur / bassin versant sur un petit bassin versant drainé (Melarchez,, BVRE de l'orgeval,, 77) 0,2 m² Intensité des précipitations 7 km² 80 ha Melarchez Débit Hauteur d'eau Débit 4 km 8

10 1 Débit à superficie équivalente (80 ha) ,9 Hauteur d'eau au débouché du collecteur (m) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4? Débit (l/s) 0,3 0,2 0, /12/ /12/ /12/ /12/ /01/ /01/2002 Temps 9

11 Hauteur d'eau au rejet 1 Débit à superficie équivalente ,9 Hauteur d'eau au débouché du collecteur (m) 0,8 0,7 0,6 0,5 0, Débit (l/s) 0,3 0,2 0, /12/ /12/ /12/ /12/ /01/ /01/2002 Temps 10

12 Ces mesures fournissent une première indication sur un rôle clé du passage en charge du collecteur. La seconde indication nous est donnée par la modélisation du fossé : 11

13 Modélisation : Une approche limitée au fossé et à ses obstacles est insuffisante (Porcheron, 1996) Parcelles drainées Suivant la taille du périmètre Observations ~ 9 h Fonction de retard Equations de Saint-Venant ~ 1 h Parcelles drainées 12

14 Modélisation : Ignorer la mise en charge des collecteurs fausse la simulation du pic (Helmer, 2001) Débit du fossé (l/s) Débit Mesures en aval du bassin versant 1 ère itération : Un seul rejet influencé 800 Dernière 600 itération : 400 Rejets influencés 200 selon le Temps niveau 0 20/03/ /03/ /03/ /03/

15 De ces réflexions découle la proposition étudiée à travers le travail de thèse : Le fonctionnement hydraulique de la jonction collecteur / fossé influence sensiblement et de manière prévisible la formation de la crue 14

16 Trois objectifs sous-tendus par cette proposition : 1. Connaître le mécanisme de passage en charge du collecteur 2. Prédire le rejet d'un collecteur influencé 3. Pouvoir tenir compte de l'influence du rejet sur le niveau d'eau en amont du fossé

17 État des connaissances : Jonctions de canaux ou conduites de même nature (Hager, 1989 ; Biron et al., 1996 ; Shettar et Murthy, 1996 ; Gurram et al., 1997 ; Ramamurthy et Zhu, 1997 ; Barkdoll et al., 1998 ; Hsu et al., 1998 ) Caractère érosif des rejets : jamais influencés (Blaisdell Fred et Anderson, 1988 ; Rice et Kadavy, 1994 ; Hoffmans, 1998 ; Ojha, 1999 ; Verma et Goel, 2000) Problème connu dans le domaine de l'assainissement urbain, mais pas pour ce type de configuration ou cette gamme de débits (Motiee et al., 1997 ; Sartor, 1999) 16

18 Cet état des connaissances justifie : Une approche locale Une expérimentation complémentaire spécifique et nouvelle Une expérimentation de laboratoire non soumise aux contraintes et aléas du terrain 17

19 III. "FoCol" : jonction de Fossé et de Collecteur 6 m 1,2 m 8 cm 30 cm Modèle réduit : Echelle 1/6 ème : fossé de largeur 1,8 m, collecteur de Ø 50 cm Similitude de Froude Modèle : Q max 12 l/s q max 3 l/s Terrain : Q max 1100 l/s q max 270 l/s Nombre de Reynolds faible 18

20 III. "FoCol" : jonction de Fossé et de Collecteur Recirculation 19

21 III. "FoCol" : jonction de Fossé et de Collecteur Q Canal Hv 20

22 III. "FoCol" : jonction de Fossé et de Collecteur q Conduite 21

23 Instrumentation > Débits > Hauteurs > Pression Q q : débitmètre électromagnétique : mesure au cathétomètre Z m : mesure au limnimètre X 1 p v21 p v24 Capteur de pression : mesure sur règle graduée : capillaire vers capteur de pression Y(X) 1 Z li X 2 z v p v1 à v20 y v5, v9, v13, v17 z m p v22 Profil à X = 10 mm 2 vu depuis le canal : p v3 H v Z (X) f1 Z 0 p v23 p v2 p v1 p v4 y v1 Z v Z(X) 1 Cathétomètre 22

24 Cette expérience montre l importance de 4 facteurs 2 facteurs pour l'influence sur le fossé : 1. Le niveau imposé à l'aval du fossé 2. Le rapport entre débit du fossé et débit du rejet 2 facteurs pour l'influence sur le collecteur : 3. Sa pente 4. La possibilité pour l'air d'y entrer 23

25 Rôle du niveau imposé à l'aval du fossé : Influence du rejet à débits fixés, lorsque l'on abaisse le déversoir en aval du canal (Animation vidéo) 24

26 Comparaison amont / aval à débits fixes et hauteur aval variable Y m /d 1,4 1,2 1 0,8 0,6 Hauteur relative amont de la jonction Tirant d'eau amont pour une ligne d'eau horizontale Apparition d'une section critique q = 0 l/s, Q = 8 l/s q = 1 l/s, Q = 7 l/s q = 2 l/s, Q = 6 l/s 0,4 0,2 0 Hauteur relative aval de la jonction 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Y v /d q = 3 l/s, Q = 5 l/s 25

27 Y m /d 1,4 1,2 1 0,8 Hauteur aval fixe et débit variable, mais en proportion constante : tendance inverse Hauteur relative amont de la jonction Tirant d'eau amont pour une ligne d'eau horizontale 0,6 q = 2 l/s, Q = 6 l/s 0,4 0,2 0 Hauteur relative aval de la jonction 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Y v /d Hv = 0 mm Canal/Rejet : Q/q = 3 26

28 La pente i de la conduite sépare les transitions en trois catégories (Animations vidéo) Faible i Forte 27

29 IV. Données expérimentales Terrain Tendances Laboratoire Modèle Explication Validation 28

30 Tendances observées sur le terrain (fossé re-calibré entre deux hivers) p 0 /ρgd 2 Hauteur relative de colonne d'eau au rejet 1,5 Passage du collecteur en charge 1 0,5 0 Débit adimensionnel de rejet 0 0,1 0,2 0,3 0,4 q* 29

31 Ces tendances découlent pour l essentiel de : 1. La géométrie de l'interconnexion 2. La rugosité et la pente du fossé Mais ne renseignent pas : 3. Sur les conséquences pour l'amont du fossé 4. Sur ce qui se produit à la mise en charge 30

32 Tendances observées sur le terrain (fossé re-calibré entre deux hivers) p 0 /ρgd 2 Hauteur relative de colonne d'eau au rejet 1,5 Passage du collecteur en charge 1 0,5 0 Débit adimensionnel de rejet 0 0,1 0,2 0,3 0,4 q* 31

33 Prédiction des conséquences sur l'amont du fossé : bilan de quantité de mouvement hypothèses sur la géométrie de la surface libre Surface horizontale Zone de transition non détaillée Y +2LI m Surface horizontale I Y m Y v 3L Y -3LI v 10d 2L Surface horizontale y = Y m +2LI-10id m 32

34 Exemple de résultat à débit fixé Y m /d 1,4 Hauteur relative amont de la jonction 1,2 1 Données mesurées 0,8 0,6 Données simulées 0,4 0,2 0 Hauteur relative aval de la jonction 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Y v /d 33

35 p 0 /ρ gd 1 Soutenance de thèse d'yves NÉDÉLEC, N Problème du passage en charge : mesures de hauteur du rejet sans apport du fossé, influence aval et débit de rejet variables Hauteur relative du rejet en colonne d'eau , Hv (mm) 0 0 0,5 Débit adimensionnel de rejet q* Smith (1962), déversement à gueule bée 34

36 Extraction des parties de transition SL PS p 0 /ρ gd 1 Hauteur relative du rejet en colonne d'eau Conduite entièrement à surface libre Conduite entièrement en charge , Hv (mm) 0 Débit adimensionnel de rejet 0,5 q* 35

37 Le point (f) de séparation dépend de la pente de la conduite A. Il pourrait être lié au débit à remplissage complet q p : Pour la conduite : 8/3 1/2 π d q ki p 5/3 4 (f) 5 5 q * = = = 0,28 gd gd B. Ce débit à remplissage complet peut expliquer un phénomène transitoire limitant le débit de rejet 36

38 Application à un tronçon uniforme de conduite pour lequel la perte de charge linéaire égale la pente h = (h/i) J PS (q p ) 37

39 Application à un tronçon uniforme de conduite pour lequel la perte de charge linéaire égale la pente h = (h/i) J PS (q p ) 38

40 Confrontation aux données de terrain q (f) * = 0,34 d'après les éléments connus sur le site Hauteur relative de colonne d'eau au rejet Débit adimensionnel de rejet 39

41 V. 3 maillons de la formation de la crue interagissent fortement aux différentes échelles du bassin versant : 1. Les réseaux enterrés de drains et de collecteurs apport d'eau capacité de stockage dynamique 2. Le fossé et ses obstacles à l'écoulement capacité de transfert points de contrôle capacité de stockage dynamique Modèle Éléments de démonstration Modèle 3. L'ensemble des points de rejet apport d'eau points de contrôle 40

42 3 perspectives scientifiques importantes : 1. L'étude (modélisation et expérimentation) d'un réseau enterré complet est nécessaire, y compris les parcelles drainées 2. La dynamique de la transition locale SL /PS doit être mieux analysée, en tenant compte du rôle de la pente 3. Il faut faire la part de l'idéal et du réel dans les effets des règles de dimensionnement qui identifient théoriquement q p et le débit de projet en tout point du réseau 41

43 Une perspective opérationnelle locale : L'optimisation des points de contrôle, en palliatif aux contraintes de dimensionnement 42

44 Drainage Soutenance de thèse d'yves NÉDÉLEC, N Lieux d'actions possibles : Déjà implanté Effet permanent Difficilement réversible Réseaux de collecteurs Sortie de collecteur Obstacle Sortie de collecteur Fossé Aval du bassin versant Sortie de collecteur Aménageables a posteriori Effet contrôlable Réversible 43

45 Une perspective opérationnelle globale : Une association complète et adaptative des rejets de drainage avec les ouvrages de ralentissement des crues à l'échelle du bassin versant 44

46 Période de retour de la pluie Drainage 10 ans Sortie de collecteur Fossé Sortie de collecteur Sortie du Bassin versant Sortie de collecteur Obstacle 1 an 45

47 Fonction de production Période de retour de la pluie Drainage 10 ans Sortie de collecteur Fossé Sortie de collecteur Sortie du Bassin versant Sortie de collecteur Obstacle 1 an 46

48 Fonction de production Période de retour de la pluie Drainage 10 ans Sortie de collecteur Fossé Sortie de collecteur Sortie du Bassin versant Sortie de collecteur Obstacle 1 an 47

49 Période de retour de la pluie Drainage Fonction de production 10 ans Sortie de collecteur Fossé Sortie de collecteur Sortie du Bassin versant Sortie de collecteur Obstacle Fonction de transfert 1 an 48

50 Drainage Soutenance de thèse d'yves NÉDÉLEC, N Fonction de production Période de retour (ruissellement) de la pluie 10 ans Sortie de collecteur Fossé Sortie de collecteur Sortie de collecteur Sortie du Bassin versant Obstacle Fonction de transfert 1 an 49

51 Drainage Soutenance de thèse d'yves NÉDÉLEC, N Fonction de production Période de retour (ruissellement) de la pluie 10 ans Sortie de collecteur Sortie de collecteur Fossé Sortie du Bassin versant Sortie de collecteur Obstacle Fonction de transfert (surverse) 1 an 50

52 Quels contextes d'application? Une prise en compte de l'état des rejets pour la prévision de crues et la modélisation des transferts Études d'impact Prévision de crues Modèles de bassins versants Aménagements préventifs 51