L’urbanisation conduit `a une augmentation des volumes de ruissellement (fi- gure 1.1). En mˆeme temps, ce ruissellement est acc´el´er´e par une plus grande efficacit´e dans le transport. Cette efficacit´e est due `a la r´eduction des frottements sur les sur- faces urbaines et dans le r´eseau d’assainissement (dont la rugosit´e est moindre, en g´en´eral, que celle des surfaces et r´eseaux hydrographiques naturels). A cela s’ajoute la densification des r´eseaux d’assainissement et l’artificialisation des cours d’eau urbains, souvent rectifi´es, ´elargis, endigu´es, qui portent `a une efficacit´e de transport accrue. En consid´erant les d´ebits `a l’exutoire, les cons´equences de l’augmentation de volume et de l’acc´el´eration peuvent ˆetre observ´ees tant `a l’´echelle de l’´ev´enement pluvial qu’`a celle d’une p´eriode plus longue.
Figure 1.1.: Sch´ema du rapport entre imperm´eabilisation et ruissellement. Source : FISRWG (1998).
Au niveau de l’´ev´enement pluvial l’urbanisation produit des modifications des hydrogrammes, sch´ematis´ees en figure 1.2. Comme d´ecrit par Leopold (1968), l’aug- mentation du volume de ruissellement V entraˆıne une augmentation du d´ebit de pointe Qpic; l’acc´el´eration de l’´ecoulement se manifeste par une diminution du temps tpic. L’augmentation de Qpic a toujours ´et´e le ph´enom`ene sur lequel se sont concentr´es les concepteurs de r´eseaux d’assainissement, car il s’agit du facteur principal dans le dimensionnement. Dans l’assainissement traditionnel, la cl´e de voute du dimensionne- ment des r´eseaux est le d´ebit de pointe : pour un temps de retour donn´e (e.g. 10 ans), on calcule l’´ev´enement pluvial de r´ef´erence et, par le biais de la m´ethode rationnelle ou d’autres, le d´ebit de pointe correspondant. Le d´ebit capable du r´eseau, qui en permet le dimensionnement, est ainsi fix´e. Toutes les formes classiques de la m´ethode rationnelle, de celle de Mulvaney de 1851 `a celle de Caquot de 1941, servent `a calculer le d´ebit de pointe pour un bassin versant et une pluie donn´es (Chocat et al., 1997, p. 830).
D é b it Avant urbanisation Après urbanisation Qpic Temps Qpic tpic V
Figure 1.2.: Exemple de modification d’un hydrogramme `a cause de l’urbanisation du bassin versant.
Si, au lieu de consid´erer un ´ev´enement isol´e, on prend en compte une p´eriode de temps regroupant plusieurs ´ev´enements pluvieux, on peut observer les effets de l’urbanisation sur une ´echelle de temps plus grande. Une fa¸con de repr´esenter cela est d’´etablir une courbe des fr´equences de d´epassement de d´ebit, ou courbe des d´ebits class´es (DC, en anglais flow duration curves, Vogel et Fennessey (1994)), comme celle repr´esent´ee en figure 1.3. Pour la tracer on ordonne par d´ebit d´ecroissant l’ensemble des enregistrements r´ealis´es, et on les rapporte au nombre d’enregistrements. Cette courbe repr´esente la fr´equence de d´epassement de chaque valeur de d´ebit pendant la p´eriode consid´er´ee. Ce genre de courbes, r´epandu en hydrologie (Vogel et Fennessey, 1995), a ´et´e utilis´e par plusieurs chercheurs ´etudiant l’effet de l’urbanisation sur l’´erosion des cours d’eau aval, ou mˆeme l’effet de TA install´ees dans un bassin versant (Fennessey et al., 2001; Konrad et Burges, 2001; Roesner et Bledsoe, 2002; Rohrer et al., 2006;
Pomeroy et Roesner, 2007). Sur la figure 1.3 on peut lire :
– l’augmentation du d´ebit de pointe : le plus haut d´ebit observ´e pendant la p´eriode correspond `a l’intersection entre la courbe et l’axe des ordonn´ees ; – l’augmentation de la fr´equence de ruissellement superficiel : la fraction de
temps pendant laquelle le bassin versant produit un ruissellement sur la p´eriode d’observation correspond `a l’intersection entre la courbe et l’axe des abscisses. De fa¸con plus g´en´erale, cette courbe repr´esente le r´egime hydrologique d’un bassin versant : suivant la longueur de la p´eriode choisie, elle montre aussi bien les comporte- ments « exceptionnels » (faibles fr´equences) que les comportements courants (hautes fr´equences) du bassin versant. En outre, la surface comprise entre la courbe et les axes est proportionnelle au volume de ruissellement total.
0,01 0,1 1 10 d é b it Avant urbanisation Après urbanisation 0,001 0,01 0,001 0,01 0,1 1 Fréquence de dépassement
Figure 1.3.: Modification de la courbe des d´ebits class´es (DC) `a cause de l’urbanisation du bassin versant. Exemple construit sur un cas fictif, avec des donn´ees au pas de temps 5 minutes.
Or, ce type de repr´esentation montre aussi clairement que le changement des fr´equences varie suivant les niveaux de d´ebits : dans l’exemple, les d´ebits inf´erieurs `a 0.1 ont une augmentation de fr´equence bien plus importante que ceux sup´erieurs. La figure 1.4, analogue `a l’exemple pr´esent´e, montre ce mˆeme effet diff´erenci´e pour les d´ebits forts et faibles (Fennessey et al., 2001). En g´en´eral, l’urbanisation a un effet tr`es important sur les faibles d´ebits, et moins important sur les d´ebits tr`es forts et exceptionnels. La raison est que pour les pluies courantes et de faible intensit´e, un bassin versant naturel produit peu ou pas de ruissellement grˆace aux ph´enom`enes d’interception, d’infiltration, d’´evapotranspiration. Les zones urbaines, au contraire, produisent un ruissellement sensible mˆeme pour des tr`es petites pluies. Au contraire, pour de fortes pluies (p´eriode de retour T ≥ 10 ans), le comportement d’un bassin naturel n’est pas tr`es diff´erent de celui d’un bassin urbain, car les m´ecanismes ´evoqu´es atteignent un niveau de saturation (Chocat et al., 1997, p. 27).
L’int´erˆet des courbes DC est de montrer que les cons´equences de l’urbanisation ne sont pas exclusivement les d´ebordements de r´eseau, mais aussi d’autres effets qui ne d´ependent pas forc´ement des d´ebits les plus ´elev´es. Comme nous allons le voir dans la conclusion de ce chapitre (section 1.5), l’analyse des courbes DC permet d’´elargir les informations que l’on peut obtenir de l’´etude des d´ebits.
Figure 1.4.: Comparaison de courbes DC pour diff´erentes r´eglementations. Source : Fennessey et al. (2001).
Pour r´esumer, les effets de l’urbanisation sur le ruissellement sont : – une augmentation du volume V de ruissellement ;
– une augmentation du d´ebit de pointe Qpic`a l’´echelle de l’´ev´enement ; – une diminution du temps de mont´ee de l’hydrogramme tpic;
– une augmentation diff´erenci´ee des fr´equences (ou dur´ees) de d´epassement des d´ebits.