Chapitre 1 - Hydrologie

Chapitre 1 : Hydrologie de la pluie au débit

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Ch 1 : Hydrologie

1

Hydrologie – de la pluie au débit • Réseau hydrographique, canaux et ouvrages existants

Pluie
Débit? Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

Crues sur l’Eau noire, Viroinval, Nismes

Ch 1 : Hydrologie

2

Hydrologie – de la pluie au débit • Nouveaux ouvrages

Chantier barrage d’Hastière 2000

Débit de dimensionnement Etude statistique Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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3

Hydrologie – de la pluie au débit • Précipitations – Mécanisme de la pluie – Données pluviométriques – Extension au bassin versant

• Cycle de l’eau • Caractérisation du débit – Hyétogramme et hydrogramme – Calcul de l’hydrogramme • Méthode de l’hydrogramme unitaire • Méthode rationnelle

– Méthodes statistiques

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4

Hydrologie – de la pluie au débit • Précipitations – Mécanisme de la pluie – Données pluviométriques – Extension au bassin versant

• Cycle de l’eau • Caractérisation du débit – Hyétogramme et hydrogramme – Calcul de l’hydrogramme • Méthode de l’hydrogramme unitaire • Méthode rationnelle

– Méthodes statistiques

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5

Mécanisme de la pluie Equilibre phases liquide et vapeur de l’eau

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6

Mécanisme de la pluie Température  Condensation

Atmosphère : -6°C par km Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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7

Mécanisme de la pluie Mélange Condensation

Atmosphère : zones de haute et basse pression Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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8

Types de précipitations • Pluies de convections • Pluies orographiques

Zech Y. Hydrologie urbaine

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9

Types de précipitations Pluies cycloniques ou de front

Zech Y. Hydrologie urbaine

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10

Types de précipitations Pluies cycloniques ou de front

Zech Y. Hydrologie urbaine

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11

Hydrologie – de la pluie au débit • Précipitations – Mécanisme de la pluie – Données pluviométriques – Extension au bassin versant

• Cycle de l’eau • Caractérisation du débit – Hyétogramme et hydrogramme – Calcul de l’hydrogramme • Méthode de l’hydrogramme unitaire • Méthode rationnelle

– Méthodes statistiques

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12

Mesure de la pluie Que mesure-t-on? Hauteur de précipitation = mm d’eau recueillie 1 mm = 1 l/m²

Zech Y. Hydrologie urbaine

Surface projetée à prendre en considération Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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13

Pluviomètres

Wikipédia Zech Y. Hydrologie urbaine

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Pluviomètres - recommandations • • • • • • • •

Ouverture horizontale Ouverture à dimensions standardisées (ici 400 cm²) Bords tranchants (influence des bords) Entonnoir avec petit trou vers récipient gradué pour limiter les pertes par évaporation Récipient gradué étroit pour plus de précision de lecture (avec débordement éventuel) Placé à 1,5 m du sol A l’abri du vent…mais pas de la pluie Si relief, placé au vent

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15

Pluviomètres – interprétation des mesures • Mesure ponctuelle représentative d’une vaste étendue • L’emplacement a de l’influence (recommandations météorologiques mondiales) • Mesure unique ne peut pas être répétée, mais peut être comparée à celle d’autres pluviomètres de la même région • Relevé manuel et journalier – ne suit pas toujours le rythme des averses – erreurs humaines

• Indique une intensité par relevé, pas d’évolution dans le temps

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16

Pluviographes

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Pluviographes

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Pluviographes à balance

• Evolution du poids enregistrée en continu • Couche d’huile placée dans le fond pour éviter l’évaporation Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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Pluviographes – caractéristiques complémentaires • Enregistrement automatique permettant de visualiser une évolution dans le temps • Relevés moins réguliers (problème moins vite détecté) • Si précipitation trop importante, retard enregistré du à l’accumulation d’eau dans l’entonnoir. • Précision limitée à la taille de l’auget • Possibilité de chauffer en cas de précipitations solides

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20

Données caractéristiques – valeurs moyennes et cumulées •Module pluviométrique annuel : somme des précipitations sur une année – Belgique = 830 mm en moyenne (jusqu’à 1400 mm dans les Hautes Fagnes) – Répartition en Wallonie (max journalier T = 10 ans)

•Précipitations mensuelles, en % du module annuel ou en mm Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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21

Données caractéristiques – Averses • Dimensionnement: – Averse typique : petits ouvrages sans risque majeur en cas de dépassement – Averse exceptionnelle : ouvrages stratégiques, probabilité de dépassement très faible car conséquences importantes

• Intensité maximum d’une averse sur un temps ∆t ∆hM iM = ∆t – iM  si ∆t  (ex : soit une même averse de 2h, plus de pluie récoltée par min en 5 min d’averse qu’en 1h) – iM  si Τ  (Τ = temps de retour moyen d’une averse) ex : une averse qui se produit en moyenne une fois tous les 20 ans (T=20 ans) sera plus intense qu’une averse qui se produit en moyenne une fois par an (T=1 an) Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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22

Courbes durée – intensité – fréquence

• Durée de l’averse ∆t en minute • Intensité de l’averse iM ou i en mm/h • Fréquence = temps de retour T en année Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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23

Courbes durée – intensité – fréquence Exemple 1 – une averse

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Courbes durée – intensité – fréquence Exemple 2 – plusieurs averses

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25

Courbes durée – intensité – fréquence Uccle

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Formule de Talbot a i= b + ∆t Où a et b sont donnés dans le tableau ci-dessous en fonction du temps de retour T

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27

Base de données wallonne http://voies-hydrauliques.wallonie.be/opencms/opencms/fr/hydro/index.html

Exercice : Pour votre commune, représentez la courbe duréeintensité-fréquence pour un temps de retour de 5 ans et de 100 ans, comparez ces courbes aux courbes obtenues par la formule de Talbot

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30

Exemple 160 140

intensité (mm/h)

120 Charleroi 5 ans Namur 5 ans Talbot 5 ans Charleroi 100 ans Namur 100 ans Talbot 100 ans

100 80 60 40 20 0 0

200

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400

600

durée (min) Ch 1 : Hydrologie

800

1000 31

Hydrologie – de la pluie au débit • Précipitations – Mécanisme de la pluie – Données pluviométriques – Extension au bassin versant

• Cycle de l’eau • Caractérisation du débit – Hyétogramme et hydrogramme – Calcul de l’hydrogramme • Méthode de l’hydrogramme unitaire • Méthode rationnelle

– Méthodes statistiques

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32

Bassin versant

Bassin versant d’une section (ex : exutoire d’une rivière ou section au droit d’un ouvrage) = Partie du territoire dont les pluies contribuent à former un débit au droit de cette section.

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33

Bassin versant

www.rncan.gc.ca Hydropanorama de l’ile de Bowen

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34

Bassin versant

www.rivagedumoulin.org/ Bassin versant de la rivière du Moulin

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35

Bassin versant

Roche - Hydrologie de surface (1963)

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36

Bassin versant • Tracé du bassin versant – Repérage des cours d’eau et des lacs – Repérage des confluences – Repérage du relief, des sommets et des vallées – Prise en compte du sous – sol pour les écoulements sous-terrains

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37

Bassin versant • Pluie représentative de l’ensemble du bassin

– Moyenne entre les mesures des différents pluviomètres – Polygones de Thiessen (moyenne pondérée en fonction de l’emplacement des pluviomètres) – Tracé des isohyètes (courbes d’égales précipitations) Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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38

Zone d’influence d’un point

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Bassin versant – Polygones de Thiessen Soit un bassin versant avec 4 pluviomètres

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40

Bassin versant – Polygones de Thiessen Etape 1 : On relie les pluviomètres par des droites (triangles les plus équilatéraux possible)

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41

Bassin versant – Polygones de Thiessen Etape 1 : On relie les pluviomètres par des droites (triangles les plus équilatéraux possible)

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42

Bassin versant – Polygones de Thiessen Etape 2 : On trace les médiatrices de chaque droite

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43

Bassin versant – Polygones de Thiessen Etape 3 : On trace les polygones autour de chaque pluviomètres (Les médiatrices de chaque droite partant d’un pluviomètre se coupent en un point)

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Bassin versant – Polygones de Thiessen Etape 3 : On trace les polygones autour de chaque pluviomètres (Les médiatrices de chaque droite partant d’un pluviomètre se coupent en un point)

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45

Bassin versant – Polygones de Thiessen • Le bassin versant de surface A comportant n pluviomètres est ainsi divisé en n zones • La surface du bassin versant influencée par le pluviomètre i est Ai et l’intensité de la pluie mesurée à ce pluviomètre est ii • L’intensité de pluie à prendre en compte pour l’ensemble du bassin versant imoy est obtenue par moyenne pondérée n

∑iA i

i moy = Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

i

i =1

A Ch 1 : Hydrologie

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Bassin versant – Tracé des isohyètes • Les isohyètes (courbes d’égales précipitations) peuvent être déterminées par interpolation et en tenant compte du relief • Difficile et long en pratique de les tracer • Meilleur résultat si beaucoup de relief

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47

Bassin versant – exemple

• Moyenne simple : imoy= 48.9 mm • Polygones de Thiessen : imoy= 48.7 mm • Isohyètes : imoy= 48.3 mm Assez proche si beaucoup de pluviomètres et peu de relief

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48

Validité de la mesure – Double masse • Comparaison entre les précipitations mesurées aux pluviomètres A, B et C • On calcule les précipitations cumulées iA,cum, iB,cum, iC,cum précipitation cumulée à un jour = somme des précipitations récoltées depuis un moment de référence jusqu’à ce jour date

i

i cumulée

17/11/2010

4

4

18/11/2010

1

5

19/11/2010

0

5

20/11/2010

10

15

21/11/2010

15

30

22/11/2010

7

37

• On choisit un pluviomètre comme référence et on le compare aux autres sur une période significative Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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49

Validité de la mesure – Double masse 50 45

iB et iC cum (mm)

40

iB cum

35 30 25

iC cum

20 15 10 5 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

iA cum (mm)

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50

Exercice • Les mesures des différents pluviomètres du bassin versant de la Warche sont elles cohérentes et fiables? • A partir du bassin versant de la Warche et des mesures aux différents pluviomètres en 1995, déterminez la précipitation représentative annuelle de l’ensemble du bassin par la méthode des polygones de Thiessen.

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51

Hydrologie – de la pluie au débit • Précipitations – Mécanisme de la pluie – Données pluviométriques – Extension au bassin versant

• Cycle de l’eau • Caractérisation du débit – Hyétogramme et hydrogramme – Calcul de l’hydrogramme • Méthode de l’hydrogramme unitaire • Méthode rationnelle

– Méthodes statistiques

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52

Cycle de l’eau

www.eau.tourdumonde.free.fr Cycle de l’eau

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53

Cycle de l’eau

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54

Cycle de l’eau

P = l + E + ( F + S ) + Pnet P = précipitation l = interception par végétaux E = évaporation sol et surfaces d’eau F = infiltration dans le sol S = Stockage d’eau dans dépressions (flaques) Pnet = Pluie nette – ruissellement direct

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55

Bilan – déficit P = l + E + ( F + S ) + Pnet Le déficit est la partie de la pluie qui ne participe pas au débit – A court terme

P = l + E + ( F + S ) + Pnet – A long terme (ex : 1 an)

P = l + E + ( F + S ) + Pnet Déficit à long terme selon Coutagne

D = 210 + 30 Tmoy Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

Tmoy = température moyenne en °C Ch 1 : Hydrologie

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Exemple : Bassin versant de la Warche

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Exercice Déterminez le déficit du bassin versant de la Warche en 1995 : – Grâce à la formule du bilan et aux mesures des précipitations et des débits. – Grâce à la formule de Coutagne

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58

Exercice Dans cet exemple (bilan annuel 1995)
Déficit D = E

P = l + E + ( F + S ) + Pnet • Pluie annuelle sur le bassin versant : P=1327 mm • Qmoy = 4.7m³/s (surface du bassin versant = 183.076 km² Pour trouver Pnet (partie de la pluie qui participe au débit): – on calcule la quantité d’eau participant au débit sur une année = Qmoy * 60 * 60 * 24 * 365 =141912000 m³ – On répartit ce volume sur la surface du bassin versant pour avoir une lame d’eau équivalente en mm =141912000/(183.076*1000*1000)=0.84 m = 840 mm = Pnet

• Déficit D = E = P – Pnet = 487 mm • Déficit par Coutagne : D=210+30 Tmoy =210+30*7.9 =446 mm Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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59

Hydrologie – de la pluie au débit • Précipitations – Mécanisme de la pluie – Données pluviométriques – Extension au bassin versant

• Cycle de l’eau • Caractérisation du débit – Hyétogramme et hydrogramme – Calcul de l’hydrogramme • Méthode de l’hydrogramme unitaire • Méthode rationnelle

– Méthodes statistiques

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60

Hyétogramme Graphe donnant l’évolution de l’intensité de la pluie en fonction du temps

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61

Hyétogramme brut / net

Infiltration si i<φ

Coefficient d’infiltration

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62

Hyétogramme brut / net

Hyétogramme brut

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Hyétogramme net

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63

Hydrogramme Graphe donnant l’évolution du débit à un endroit (ex : débouché d’une rivière) en fonction du temps

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64

Forme de l’hydrogramme

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65

Hydrogramme total / net / de base

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66

Temps de concentration Temps nécessaire à une goutte d’eau pour atteindre l’exutoire (endroit où on veut connaître le débit) depuis l’endroit le plus éloignés hydrauliquement parlant du bassin versant

Bassin versant

Parcours le plus long (ruissellement + écoulement en rivière)

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67

Calcul du temps de base

tb = t p + t c

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68

Hydrologie – de la pluie au débit • Précipitations – Mécanisme de la pluie – Données pluviométriques – Extension au bassin versant

• Cycle de l’eau • Caractérisation du débit – Hyétogramme et hydrogramme – Calcul de l’hydrogramme • Méthode de l’hydrogramme unitaire • Méthode rationnelle

– Méthodes statistiques

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69

Hydrogramme unitaire - Principe Pour un hyétogramme net type on connaît l’hydrogramme net correspondant

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70

Hydrogramme unitaire - Principe

 t0 : Q1 = 2q1  2t0 : Q2 = 2q2  K 

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71

Hydrogramme unitaire - Principe

 t0 : Q1 = q1  2t0 : Q2 = q2 + q1  K 

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72

Hydrogramme unitaire - Principe

q1 ii30 q1 ii20 q2

q1 ii10 q2

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i1 i0

 t0 : Q1 = q1 ii1 0  2t0 : Q2 = q2 ii10 + q1 ii20  i  3t0 : Q3 = q3 ii10 + q2 ii20 + q1 i30   K

i2 i0

q3 ii10

73

Détermination de l’hydrogramme unitaire • On choisit une averse typique, on mesure l’hydrogramme du à cette averse • On distingue hydrogramme de base et hydrogramme net (méthodes graphiques) • On recommence l’opération plusieurs fois • On détermine le coefficient d’infiltration du bassin versant φ (volume d’eau hydrogramme net = volume d’eau hyétogramme net)

 Pour un hyétogramme net type on connaît l’hydrogramme net type correspondant Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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74

Hydrogramme unitaire - hypothèses • Le coefficient d’infiltration φ est constant pour le bassin versant • L’averse unitaire est ramenée à un volume de 10 mm (i0 t0 = 10 mm) • La durée de l’averse unitaire est limitée (t0< 1/3…1/5 tc) • 2 averses de même durée (tp) donneront 2 hydrogrammes ayant le même temps de base (tb)
tc est constant pour le bassin versant • Le débit net est proportionnel à l’intensité nette de la pluie
s’il pleut 2x plus, le débit sera 2x plus important Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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75

Hydrogramme unitaire - exercice • Données – Une averse unitaire (pluie uniforme, 20 mm sont tombés en 20 minutes) – L’hydrogramme unitaire correspondant – Le coefficient d’infiltration du bassin versant φ = 32 mm – Une pluie (hyétogramme brut)

• On demande – Déterminez l’hydrogramme produit suite à cette pluie

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76

Hydrogramme unitaire - exercice Hydrogramme unitaire 200

10.00

160

8.00 120 6.00 80 4.00

Débit (m3/s)

Précipitation utile (mm)

12.00

40

2.00 0.00

0 1

Temps (h) Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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77

Hydrogramme unitaire - exercice Hydrogramme complexe

Précipitations brutes (mm)

60 50 40 30 20 10 0 10

11

12

13

14

15

16

17

18

Temps (h) Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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78

Hydrogramme unitaire - exercice

60

600

50

500

40

400

30

300

20

200

10

100

0

Débit total (m3/s)

Précipitations brutes (mm)

Hydrogramme complexe

0 10

11

12

13

14

15

16

17

18

Temps (h) Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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79

Hydrologie – de la pluie au débit • Précipitations – Mécanisme de la pluie – Données pluviométriques – Extension au bassin versant

• Cycle de l’eau • Caractérisation du débit – Hyétogramme et hydrogramme – Calcul de l’hydrogramme • Méthode de l’hydrogramme unitaire • Méthode rationnelle

– Méthodes statistiques

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80

Méthode rationnelle • Méthode simplifiée de l’hydrogramme unitaire • Pour une pluie de projet, permet de déduire – l’hydrogramme net (forme approximative) – le débit maximum

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81

Méthode rationnelle - principe On divise le bassin versant en isochrones (courbes ayant le même temps de concentration) multiples de t0

Pour chacune des zones de surface Aj définie, on suppose un coefficient de ruissellement Cj ≤1 constant (fraction de la pluie qui ruisselle) Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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82

Méthode rationnelle - principe Pluie de volume i t0

Hydrogramme du à la pluie tombée sur la surface Aj

Hydrogramme du à la pluie tombée sur l’ensemble du bassin versant Hypothèse : pluie tombe instantanément – Hydrogramme induit rectangulaire – OK si t0 est petit Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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83

Méthode rationnelle - principe Pour une pluie de durée 3t0, on additionne les trois hydrogrammes décalés dans le temps

Q1 = C1iA1 Q = C iA + C iA 1 1 2 2  2 Q3 = C1iA1 + C2iA2 + C3iA3 Q = C iA + C iA + C iA 2 2 3 3 4 4  4 K

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84

Méthode rationnelle - dimensionnement Choisir une averse à laquelle l’ouvrage doit résister
courbes durée-intensité-fréquence – Le temps de retour (fréquence) de la pluie est choisi en fonction du projet (en fonction du risque associé au dépassement) – On choisit la durée et l’intensité de la pluie (point de la courbe) de manière à prendre en compte le débit maximal à l’exutoire

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85

Méthode rationnelle - dimensionnement Bassin versant divisé en trois partie (tc = 3t0)

Pluie de volume i t0

Hydrogramme du à la pluie tombée sur l’ensemble du bassin versant

Comment choisir la pluie donnant le débit maximum à l’exutoire? Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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86

Méthode rationnelle - dimensionnement Choix de la durée de la pluie Si tp < tc (ex : tp = 2t0)

3

QMAX = ∑ C j iA j j =2

On pourrait avoir un débit maximum plus grand en choisissant tp ≥ tc Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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87

Méthode rationnelle - dimensionnement Choix de la durée de la pluie Si tp = tc = 3t0

3

QMAX = ∑ C j iA j j =1

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88

Méthode rationnelle - dimensionnement Choix de la durée de la pluie Si tp > tc (ex : tp = 4t0)

3

QMAX = ∑ C j iA j j =1

Apparition d’un plateau dans l’hydrogramme
tp ≥ tc Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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89

Méthode rationnelle - dimensionnement
tp ≥ tc


tp = tc Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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90

Méthode rationnelle - application • Pas facile de diviser le bassin versant en isochrones • Pas nécessaire si on veut juste calculer le débit maximum n

QMAX = ∑ C j iA j = CiA j =1

Où C=coefficient de ruissellement moyen du bassin versant n

∑C A j

C=

j

j =1 n

∑A

j

j =1

i = intensité de la pluie de projet (durée-intensité-fréquence) A = surface totale du bassin versant Bureau d'études du génie civil Hydraulique fluviale

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91

Coefficients de ruissellement

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92

Méthode rationnelle - exercice Calculez le débit maximum issu du réseau d’égouttage d’eau pluvial du quartier de Lauzelle à Louvain-la-Neuve.

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Hydrologie – de la pluie au débit • Précipitations – Mécanisme de la pluie – Données pluviométriques – Extension au bassin versant

• Cycle de l’eau • Caractérisation du débit – Hyétogramme et hydrogramme – Calcul de l’hydrogramme • Méthode de l’hydrogramme unitaire • Méthode rationnelle

– Méthodes statistiques

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Méthodes statistiques • Utilisé pour connaître le débit moyen, le débit de crue, débit d’étiage… • Quand on dispose de mesures de débit sur un certain nombre d’années, on peut faire correspondre une loi statistique (lognormale,…) à la répartition des débits (annuels moyens par ex). • On peut ensuite utiliser cette loi pour l’estimation de débits dans de nouveaux projet. • Débit décennal, centennal,…(qui se produit en moyenne une fois tous les 10 ans, tous les 100 ans,…)

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