Méthodes de dimensionnement des ouvrages de stockage (HU)

Traduction anglaise : Design méthods for storage facilities

article en chantier

Dernière mise à jour : 29/12/2022

Cet article fait partie de toute une série d'articles traitant des solutions durables de gestion des eaux pluviales urbaines, comprenant en particulier trois articles de portée générale :

• l'article "Solutions de gestion durable des eaux pluviales urbaines (HU)" qui constitue un texte introductif visant à préciser le vocabulaire utilisé dans le domaine de la gestion des eaux pluviales, et tout particulièrement celui que l'on associe à leur gestion durable ;
• l'article "Solution alternative (HU)" qui s'attache à présenter les différentes solutions possibles et la façon de les distinguer et de les choisir ;
• cet article qui a pour objectif de présenter les différentes méthodes de conception des ouvrages hydrauliques de stockage (bassins de retenue et solutions alternatives) et de donner les éléments permettant de choisir la méthode de dimensionnement la mieux adaptée en fonction du problème à traiter.

Diversité des contextes

Les ouvrages de stockage peuvent prendre des formes très diverses dans les systèmes d'assainissement et en particulier dans les systèmes de gestion des eaux pluviales urbaines : diversité des aspects, des lieux d'implantation, des volumes concernés et des objectifs poursuivis. Dans tous les cas, leur fonction principale est de fournir un volume tampon permettant de stocker l'excédent d'eau lorsque la capacité d'évacuation est inférieure aux entrées.

L'évacuation peut continuer à se faire en totalité dans le système d'assainissement traditionnel, dans ce cas la fonction hydraulique de l'ouvrage est simplement de diminuer les pointes de débit à l'aval et de ralentir les écoulements. A l'opposé, elle peut se faire vers un autre exutoire, le plus souvent le sol par infiltration ; dans ce cas l'ouvrage permet également de diminuer les volumes s'écoulant dans le système d'assainissement. Elle peut aussi se faire en partie vers le réseau d'assainissement et en partie vers un autre exutoire. Dans tous les cas le fait de stocker momentanément l'eau, et donc de diminuer fortement les vitesses d'écoulement, permet une décantation plus ou moins importante et donc un piégeage au moins provisoire des polluants liés aux matières déposées. Ce piégeage des polluants et encore plus efficace si l'eau est infiltrée ou évapotranspirée.

De façon pratique, il est possible de distinguer trois modes principaux d'introduction des ouvrages de stockage dans les réseaux : le plus à l'amont possible (gestion à la source), dans un ouvrage de plus grande taille servant d'exutoire (ouvrage centralisé situé "au bout du tuyau"), à l'intérieur du réseau. Les spécificités de chacun de ces modes sont présentées dans les § suivants.

Gestion à la source

La gestion à la source consiste à mettre en place des solutions de gestion de l'eau de pluie au plus près de l'endroit où les gouttes atteignent le sol. Les solutions possibles sont extrêmement variées : stockage en surface, noues, tranchées, revêtement perméables, toitures stockantes et/ou végétalisées, etc. (voir Solution alternative (HU)). La difficulté principale consiste à intégrer la solution dans l'aménagement. En effet, dans la plupart des cas il ne s'agit pas d'ouvrages dédiés mais d'espaces adaptés pour remplir leur fonction de stockage provisoire des eaux pluviales en plus de leur fonction urbaine principale. Les problèmes posés par leur conception vont donc bien au delà de leur simple dimensionnement hydraulique : le choix de la nature, de la position et de l'aspect des solutions doit être effectué en lien avec le travail sur le plan masse et la topographie. Les solutions doivent cependant être correctement dimensionnées pour éviter des dysfonctionnements ultérieurs susceptibles de nuire à leur acceptation, et donc à leur entretien correct, par les riverains.

Ouvrage centralisé (au bout du tuyau)

Les ouvrages centralisés ont été les premiers mis en place lors du retour en grâce des techniques alternatives dans la deuxième moitié du XXème siècle. Dans la plupart des cas il s'est agi de grands bassins de retenue, parfois au moins partiellement en eau, et construits à l'exutoire de bassins versants de plusieurs centaines, voire plusieurs milliers d'hectares, drainés par un réseau strictement pluvial. Leur exutoire était alors le sol et la nappe phréatique (cas des grands bassins d'infiltration de la Métropole de Lyon) ou de petits cours d'eau existant avec un débit de vidange régulé (bassins de retenue de Marne la Vallée ou de l'Isle-d'Abeau). Cette solution constitue également depuis près d'un demi-siècle la solution de base pour gérer les eaux de ruissellement des plates-formes routières et autoroutières avec probablement des milliers de réalisations rien que sur le territoire métropolitain. De tels ouvrages continuent d'être construits dans le cadre d'aménagements urbains, avec des exigences de plus en plus sévères concernant leur intégration paysagère, voire la réflexion sur les usages multiples des espaces mobilisés. Du fait de leur fonction et de leur position, ces ouvrages doivent être capables de faire face à toutes les sollicitations pluvieuses, y compris les plus sévères.

Ouvrage de stockage en réseau

Les ouvrages de stockage en réseau ont été imaginés pour soulager les parties aval des réseaux et diminuer ainsi la fréquence et la gravité des inondations dus à leurs débordements. Ultérieurement d'autres objectifs sont apparus, en particulier la volonté de limiter la fréquence et l'importance des rejets de temps de pluie par les déversoirs d'orage. Selon le cas l'ouvrage doit être capable de faire face à des sollicitations plus ou moins sévères. La difficulté principale de réalisation de ce type d'ouvrage consiste à trouver l'espace nécessaire dans un milieu urbain extrêmement contraint. Beaucoup de ces ouvrages sont ainsi des bassins enterrés, aux dimensions parfois gigantesques. Les contraintes principales sont le coût et les modalités d'exploitation. Le problème n'est pas tant le dimensionnement pour atteindre un objectif que l'optimisation de l'espace disponible.

Diversité des objectifs du dimensionnement

Principes de base

Parler de dimensionnement pour un ouvrage de stockage signifie que l'on fait référence à une fonction technique dont la qualité de réalisation dépend des dimensions qui lui sont attribuées. Le terme regroupe cependant des sens assez différents selon les acteurs et les moments de l'étude. Il peut s'agir :

• d'un dimensionnement strictement hydrologique consistant principalement à fixer le débit de fuite et le volume maximum, cette approche peut être suffisante au moment des phases préliminaires de l'étude ;
• d'un dimensionnement au sens strict visant à déterminer les dimensions géométriques de l'ouvrage : surface, longueur, largeur, profondeur, cette étape est nécessaire car le débit de fuite et le volume à stocker dépendent souvent des dimensions géométriques de l'ouvrage ;
• d'une étape de conception plus avancée où l'on s'attache à positionner l'ouvrage dans l'espace en respectant les dimensions précédentes, mais également le plan masse de l'aménagement et la topographie.

Diversité des objectifs

Les fonctions techniques de nature hydrologique pour lesquelles on dimensionne une solution sont au nombre de deux :

• dimensionnement en vue de contrôler les débits s'évacuant vers l'aval ;
• dimensionnement en vie de contrôler les flux de polluants.

Par ailleurs, selon la nature des ouvrages, d'autres aspects peuvent nécessiter soit un dimensionnement au sens strict, soit la vérification de contraintes nécessaires à l'atteinte des autres objectifs que l'on peut avoir. Par exemple :

• dimensionnement mécanique dans le cas d'une chaussée à structure réservoir ;
• conception adéquate (sécurité des personnes, qualité biologique et esthétique du milieu, etc.) dans le cas d'un ouvrage totalement ou partiellement en eau ;
• calcul de la quantité d'eau à stocker en fonction des usages dans le cas d'une récup-utilisation de l'eau de pluie ;
• etc.

Seules les deux fonctions de nature hydrologique sont traitées dans la suite de cet article.

Niveau de service à atteindre en fonction de la sévérité de la sollicitation pluvieuse

Le dimensionnement hydrologique doit être effectué de façon à rendre le service attendu pour tous les types de sollicitations pluvieuses. Ceci s'applique bien évidemment au niveau de sévérité de la sollicitation (figure ), mais également à sa nature : saison, durée, répartition des intensités, etc.

Figure 4 : Les niveaux de service à atteindre, les objectifs à prioriser et les solutions à mettre en œuvre sont différents selon le niveau de la sollicitation pluvieuse ; les objectifs pris en compte dans cette figure sont les suivants : Objectif 1 : Éviter les nuisances locales (eau stagnante, boue, etc.) et les risques sanitaires associés ; Objectif 2 : Limiter la pollution apportée aux milieux aquatiques ; Objectif 3 : Contrôler les risques d’inondation localement et à l’aval ; Source : Chocat et al. (2022a), adapté de CERTU (2003).

Dimensionner un ouvrage uniquement pour un type de sollicitation répondant à un niveau de sévérité donné (par exemple calcul du volume de stockage nécessaire pour faire face à un événement de fréquence décennale) est donc insuffisant et il est nécessaire d'étudier de façon plus précise comment l'aménagement de comportera pour différents types de sollicitation.

Dimensionnement hydraulique

Ce type de dimensionnement est le plus fréquemment mis en œuvre pour la fonction lutte contre les inondations

Dimensionnement en termes de piégeage des polluants

dimensionnement pour la fonction diminution des flux de polluants rejetés ; différents critères possibles (effet chronique : masse annuelle ; effet de choc : masse événementielle pour événements rares ; fréquence de rejets sur une période donnée)

Contraintes réglementaires possibles

Différentes obligations possibles (débit de vidange max imposé, obligation conserver p premiers mm; aucun rejet pour période de retour donné, etc.) ;

Éléments de conception des ouvrages

Grandeurs à déterminer vis à vis du fonctionnement hydrologique

Différents dispositifs de restitution : infiltration, évapotranspiration, dispositifs à débit limité, dispositifs hydrauliques. Différentes grandeurs à déterminer : Volume total et volume de réserve, débit de restitution, durée en eau et temps de vidange, position systèmes de vidange, ... ; Liens avec les dimensions géométriques ; obligation de déterminer toutes les grandeurs en même temps.

Méthodes utilisables et critères de choix de la méthode

Critères de choix

Méthodes de conception et/ou méthodes de vérification et/ou méthode d'aide à la conception géométrique Tableau d'aide au choix en fonction de la nature du problème, des enjeux et la phase d'étude.

Outils disponibles

Méthodes de conception et/ou méthodes de vérification et/ou méthode d'aide à la conception géométrique Tableau d'aide au choix en fonction de la nature du problème, des enjeux et la phase d'étude. Renvoi vers les outils gratuits d'aide au choix et d'aide à la conception : FAVEUR, OASIS, PARAPLUIE, URBIS : présentation domaine d'application et modalités utilisation.