Binôme 3 : Scénarios d'aménagement du Vair

Pierric Balland et Olivier Lépine



  

  Cette étude s'inscrit dans le cadre d'une étude globale de lutte contre les inondations du bassin versant de la Meuse amont menée par le Bureau d'étude Génivar. A ce titre, nous tenons à remercier Remi LABEDADE et Cécile LLOVEL pour nous avoir permis de nous investir sur ce projet et pour le soutien qu'ils nous ont apportés.

      Nous profitons également de l'occasion pour remercier Jacques CHORDA et Ludovic CASSAN de l'IMFT pour leurs conseils, ainsi que l'ensemble du corps enseignant encandrants du BEI.

Cette étude hydraulique se décompose en trois partie:

  • La construction d'un modèle hydraulique sous HEC RAS,
  • L'étude du fonctionnement hydraulique du Vair à Harchéchamp en période de crue,
  • L'étude de propositions d'aménagement visant à diminuer le risque d'inondabilité des habitations à Harchéchamp.

Partie I : Préparation de l'étude

Rappel du contexte et des objectifs de l'étude hydraulique

Contexte

Cette étude hydraulique s'inscrit dans le cadre d'un projet global d'aménagement et de gestion du bassin versant amont de la Meuse, conduit par l'Etablissement Public Aménagement de la Meuse Amont (EPAMA). Cette étude actuellement en cours est réalisée par le bureau d'études Genivar. Elle fait suite à une étude préliminaire qui a permis de dégager deux grands axes de réflexion visant à réduire les risques d'inondation : 

  • l'aménagement du bassin versant (aménagement de zone d'expansion de crue, restauration des milieux annexes...),
  • l'amélioration des conditions d'écoulements sur les zones urbanisées sensibles, dont la commune d'Harchéchamp et dans laquelle s'inscrit la présente étude hydraulique.

Dans ce cadre, l'analyse de l'impact du seuil et du pont sur la ligne d'eau au niveau du village, constitue un point de départ pour mener une réflexion sur les améliorations possibles des conditions d'écoulements visant à diminuer les risques d'inondations.

Cette approche n'est toutefois pas exhaustive et d'autres solutions d'aménagement seront étudiées afin de disposer d'un choix.

Les autres enjeux liés aux aménagements du Vair à Harchéchamp sont : 

  • le coût estimé des travaux,
  • l'impact paysager,
  • l'impact environnemental.

​​



 

Présentation du tronçon étudié

Le tronçon étudié, d'une longueur de 900m est situé dans le village d'Harchéchamp. Le Vair,  d'une largeur moyenne du lit mineur de 12 m comporte plusieurs ouvrages transversaux :

  • une passerelle en amont du village,
  • un seuil,
  • un pont en aval du village.

 Le Vair est bordé en rive droite par le village d'Harchéchamp et en rive gauche par des prairies qui constituent la principale zone d'expansion des crues. Le cours d'eau est caractérisé par une pente moyenne faible de l'ordre de 6.10-4 m/m.

 

Figure 3.1 : Vue d'ensemble de la zone d'étude. Source : Google Maps



 

Description des ouvrages 

  • La passerelle

La passerelle est située dans le village sur la partie amont du tronçon. Elle est constituée de 9 piles maçonnées qui limitent l'obstruction du lit majeur bien que les écoulements puissent rentrer en charge pour des débits de crue qui seront déterminés ultérieurement.

Figure 3.2 : Vue de la passerelle. Source : Genivar

  • Le seuil

Le seuil situé à l'aval du village est équipé d'un vannage en rive gauche. La hauteur de la vanne est fixe.

Figure 3.3 : Vue amont de la partie gauche du seuil. Source : Genivar

 

Figure 3.4 : Vue amont de la partie droite du seuil. Source : Genivar

  • Le pont

Le pont situé à l'aval du tronçon est de type trapézoïdal. Il est constitué d'une pile centrale et d'une levée (talus routier) sur la totalité du lit majeur.

Figure 3.5 : Vue amont du pont. Source : Genivar



 

Objectifs

L'objectif principal est de donner la possibilité d'évaluer l'efficacité des aménagements envisagés sur la base des critères suivants :

  • fréquence d'inondation
  • diminution de la ligne d'eau par rapport à la situation actuelle
  • coût estimatif des travaux d'aménagement
  • impact paysager
  • impact environnemental

Il sera ainsi étudié l'influence des ouvrages transversaux (passerelle, seuil et pont) sur les risques d'inondabilité puis l'efficacité de propositions techniques visant à améliorer les capacités hydrauliques et à abaisser la ligne d'eau dans les zones habitées.

Les variables étudiées sont les débits du Vair et la hauteur de la ligne d'eau au niveau d'Harchéchamp. L'intensité des débits seront exprimés pour une meilleure compréhension en terme de temps de retour de crue.

Inventaire critique et traitements des données

Afin de réaliser la modélisation hydraulique, trois types de données sont nécessaires :

  • des donnes hydrauliques permettant d'une part de construire le modèle (calage et validation) et celles concernant les débits de projet,
  • des données topographiques destinées aux calculs hydrauliques,
  • des données cartographiques permettant l'exploitation et la restitution des résultats.

 

Le bureau d'étude Genivar a fourni une certaine quantité de données brutes. Ces données ont alors fait l'objet :

  • d'une analyse afin d'en extraire les données réellement exploitables,
  • d'un traitement permettant d'être exploitées par les outils informatiques à notre disposition.

Enfin ces données ont été complétées par les résultats obtenus par le Binome 1 en charge de l'étude hydrologique.

Données disponibles

Données hydrauliques

Les données hydrauliques concernent les hauteurs d'eau et les débits nécessaires pour les calculs hydrauliques. Il y a besoin :

  • des données nécessaires à la construction du modèle qui se fait d'abord par un calage puis par une validation,
  • des données destinées à l'étude du comportement hydraulique du Vair (débits de projet).

 

Pour les données altimétriques, nous disposons :

  • De photographies prises lors de différentes crues (1995, 1996, 2001, 2006, 2011 et 2013). Pour ces données, nous ne disposons que très rarement de la date et de l'heure auxquelles les photographies ont été prises. 
  • De deux laisses de crues pour le pic de crue de l'événement de décembre 2011,
  • De la cote de la ligne d'eau sur l'ensemble du tronçon pour des débits d'étiages (23 juillet 2012),
  • De quelques points de levé de la ligne d'eau pris par le bureau d'études Hydratec le 24 avril 2007.

Concernant les débits, qui ont fait l'objet d'une étude de la part du Binome 1, nous disposons :

  • de chroniques de débits ramenés à Harchéchamp pour différents événements de crues (2011 et 2013) et des débits moyens journaliers pour les événements liés à de faibles débits,
  • des données sur deux stations de jaugeage situées à Belmont-sur-Vair (amont d'Harchéchamp) et à Soulosses-sous-Saint-Elophe (aval d'Harchéchamp). Les données issues de ces stations ont permis de définir les débits de projets à Harchéchamp.

Le tableau ci dessous synthétise l'ensemble des données hydrauliques disponibles :

Tableau 3.1 : Synthèse des données hydrauliques disponibles

Dates des mesures Débits

Données altimétriques

de la ligne d'eau

1995 Débits journaliers moyens Photos datées - non horodatées
1996 Débits journaliers moyens Photos datées - non horodatées
2001 Débits horaires Photo datées - non horodatées
2006 Débits journaliers moyens Photos datées- non horodatées
24 avril 2007 Débits journaliers moyens Levés altimétriques datés des lignes d'eau au niveau des ouvrages
27 novembre 2011 Débits horaires

Photos aériennes datées - horodatées,

Laisses de crues

23/24 juillet 2012 Débits journaliers moyens Levé altimétrique de la ligne d'eau
 2013 Débits horaires (non officiels) Photos aériennes datées - horodatées

Enfin, à noter qu'il n'existe ni courbe de tarage, ni de section de contrôle exploitable permettant de définir les conditions de limites nécessaires aux calculs hydrauliques sur le tronçon.

 

Données topographiques

Plusieurs sources de données acquises au cours d'études préalables sont disponibles :

  • Un modèle numérique de terrain réalisé dans le cadre de l'étude globale de la Meuse amont et couvrant l'ensemble du lit majeur du Vair (format TIN),
  • Une série de profils en travers pour chacun des trois ouvrages transversaux et comprenant une description détaillée des ouvrages, réalisée par le bureau d'étude Genivar en juillet 2012 (format Autocad),
  • Quatre profils en travers réalisés par le bureau d'étude Hydratec au cours d'une étude en avril 2007 (format Image).

 

Ces données sont géo-referencées ou positionnées sur un fond de plan dans le système de projection CC48, soit Lambert 93. Les données altimétriques sont levées dans le système de nivellement de la France (NGF).

Un premier travail d'analyse de ces données à permis de mettre en évidence des écarts importants allant jusqu'à 0,8 m  entres les données topographiques des profils en travers et celles du modèle numérique de terrain.

Données cartographiques

Nous disposons d'une photo satellite provenant du service Google Maps ainsi que de plusieurs photos satellites provenant du service Géoportail de qualité supérieure mais nécessitant d'être reconstituées et assemblées pour couvrir la totalité de la zone d'étude. La figure ci-dessous est un extrait du plan rassemblant les données topographiques de manière géoréférencée, projetées sur un fond de carte qui a également fait l'objet d'un géoréférencement. Le traitement SIG (système d'information géographique) a été exécuté avec le logiciel ArcGis.

On peut y voir la localisation des levées topographiques des lits mineurs et majeurs ainsi que des ouvrages réalisées par Genivar en aval du village, et quelques exemples de vue en travers de ces levées.

Figure 3.6 : Localisation des levées topographiques en aval du village. Sources avant superposition : Geoportail, Genivar.

Données exploitées

Données hydrauliques exploitées

Les données hydrauliques retenues pour le calage et la validation du modèle sont celles pour lesquelles nous disposons d'informations permettant de reconstituer en totalité ou partie la ligne d'eau et/ou les surfaces inondées. Elles sont présentées dans le tableau ci dessous :

Tableau 3.2 : Synthèse des données hydrauliques exploitées
 
Date des mesures

Type de données de débits

Valeur des débits (m3/s) Données altimétriques de la ligne d'eau Origine des données

23/04/2007

Débits journaliers 1.35 Levées de la ligne d'eau sur les ouvrages Etude Hydratec

17/12/2011 à 11h

 

Débit horaire à Belmont et Soulosses 91 Photos aériennes et laisses de crues Etude Genivar
23-24/07/2012 (étiage) Débits journaliers 0.33 Levées des lignes d'eau 

Etude Genivar

 

03/02/2013 à 09h Débit horaire à Belmont et Soulosses 85 Photos au sol Vigicrues, binômes 1 et 2
 

Pour les débits de projet, nous utiliserons les débits calculés par le binôme 1 et rappelés ci dessous.

Figure 3.7 : Courbe de fréquence des débits journaliers maximums annuels sur 41 ans

Nous en choisissons quatre : Q10, Q25, Q50, Q100. Ils sont définis comme suit :

QT est le débit de la crue qui, en moyenne, est observée tous les T ans. Ainsi, une crue de débit 94 m3/s au niveau d'Harchéchamp a été en moyenne observée une fois tous les dix ans. A noter qu'il s'agit de résultats statistiques et non prédictifs.

 

Crue de période de retour : Débit (m3/s) et intervalle de confiance

Tableau 3.3 : Débits projet du Vair à Harchéchamp

10 ans 94 [81,119]
25 ans 114 [96, 147]
50 ans 129 [108,168]
100 ans 143 [119, 189]

 



 

Données topographiques

Le choix a été fait de s'appuyer principalement sur les données issues des profils en travers qui sont beaucoup plus précises que le modèle numérique de terrain. Cependant, ces profils en travers ne couvrant pas la totalité de la zone inondable doivent être complétés avec des points du modèle numérique de terrain.

Figure 3.8 : Visualisation sous Matlab du modèle numérique de terrain et des levés à Harchéchamp et aux alentours

(cliquer pour agrandir)

 

Pour l'exploitation des résultats présentée en partie III, il a également fallu générer un fichier "terrain" (format .flt) à partir du MNT. Une série de traitements SIG présentée ci-après a été réalisée.

Figure 3.9 : Processus de traitement SIG du MNT

Lors du tracé du profil en long du Vair (la cote du point le plus bas des profils en travers est portée sur l'axe des abscisses curvilignes de la rivière, voir figure ci dessous), certains points sont apparus anormalement bas. Aucune explication physique ne pouvant justifier une discontinuité de la pente aussi importante, un doute est apparu sur la validité des données. Ces profils étant issus de l'étude Hydratec, l'hypothèse d'un problème de calage entre les deux sources de données a été émis. Il a alors été décidé de relever ces profils afin de les caler sur les pentes calculée à partir des profils de Genivar.

Figure 3.10 : Modification de la bathymétrie

Les zones de doute sont situées au niveau du village, en amont et entre les deux zones de levés topographiques de Genivar. Le fait de ne pas s'appuyer sur le profil Hydratec et d'utiliser une bathymétrie modifiée est discutable. Un levé contradictoire dans cette zone apporterait assez d'information pour confirmer ou infirmer l'hypothèse faite ci-dessus.

Figure 3.11 : Évolution de la pente du fond



 

Données cartographiques

Le fond de plan reconstitué à partir des images issues du site Géoportail, d'une résolution suffisamment fine pour être exploitable (1 pixel pour 0.8 m), a été retenu.

Partie II : Construction du modèle hydraulique

Choix du modèle

Choix du modèle

Compte tenu de la longueur relativement faible de ce tronçon et du fait que l'on s'intéresse uniquement à l'élévation maximale de la ligne d'eau pour une chronique de débits donnée, la modélisation des écoulements en régime permanent est suffisante.

Il faut toutefois savoir si l'on opte pour un modèle 2D (mis en oeuvre par exemple par le logiciel Telemac 2D) ou un modèle 1D (sous HEC RAS). 

 

Au regard des caractéristiques de la zone d'étude et des variables étudiées (hauteur de la ligne d'eau et débit), l'utilisation d'un modèle 1D est suffisant. En effet, plusieurs observations (voir photos ci-dessous) semblent justifier l'hypothèse d'un écoulement unidirectionnel :

  • l'absence d'affluents et d'ouvrages longitudinaux (digue ou déversoir longitudinal),
  • la présence d'un lit majeur bien marqué et encaissé, ne favorisant pas les écoulements transversaux et ne possédant pas de singularités marquées,
  • un champ d'expansion composé principalement de prairies. 

Les travaux de Horrit & Bates (2002) montre que pour un écoulement rassemblant ces hypothèses, les résultats des simulations 1D du logiciel HEC-RAS, bien que découlant d'une méthode plus simple, sont comparables à ceux de la modélisation 2D donnée par Telemac 2D, à condition de posséder un modèle numérique de terrain de haute résolution.

 

Enfin, il semble indispensable d'implémenter les trois ouvrages en travers du tronçon, tant ils semblent influencer la dynamique du cours d'eau. Telemac n'est pas conçu a priori pour gérer efficacement les ouvrages en travers.

Cette réflexion a mené à l'utilisation d'Hec-Ras (Hydrologic Engineering Centers River Analysis System), plateforme logicielle de simulation hydraulique développée par le Corps des Ingénieurs de l'Armée des États-Unis, qui répond parfaitement aux attentes que nous avons délimitées.

 

Hec-Ras simule une équation d'énergie pour calculer la ligne d'eau entre le profil 2 et 1 :

 

avec, respectivement pour le profil 1 et 2 : 

  • : cote du fond du lit
  • ​Y : hauteur d'eau à la section
  • a :  coefficient de pondération de la vitesse
  • V : vitesse moyennée sur la section
  • g : accélération de la pesanteur
  • he : perte de charge

​​​La figure ci-dessous illustre l'apport de chaque terme de l'équation.

Figure 3.12 : Représentation des termes de l'équation d'énergie simulée par Hec-Ras. Source : Hec-Ras Hydraulic Reference Guide

Les pertes de charges estimées proviennent des effets de frottement et de contraction/expansion du cours d'eau. La paramétrisation de Manning-Strickler est utilisée pour le frottement.

Au niveau des ouvrages, Hec-Ras propose le choix des équations utilisées pour la modélisation de l'écoulement. Ainsi, plusieurs équations de seuil sont disponibles, tout comme les équations qui décrivent l'effet des piles de pont. Ce point est développé dans la partie consacrée au calage du modèle.

 

Géométrie et conditions limites

Réalisation de la géométrie

La réalisation de la géométrie est composé de l'implémentation :

  • des profils en travers représentatifs du Vair
  • des différents ouvrages transversaux (passerelle, seuil et pont)

Implémentation des profils en travers :

Compte tenu du fait que nous disposions de trois sources de données pour la réalisation de ces profils, cette tâche a consisté à homogénéiser ces données sous un même format au moyen du logiciel ArcGis. L'ensemble des profils disponibles a ainsi pu être traduit sous la forme d'un fichier .xyz importable sous Hec-Ras, en utilisant les fonctions de géoréférencement du logiciel. 

Ces profils ont ensuite été complétés en ajoutant des points manuellement, issus du modèle numérique de terrain afin de couvrir la totalité de la zone inondable. D'autres profils ont été interpolés linéairement en respectant une distance maximale de 20m entre chacun, à partir des profils mesurés, pour compléter la géométrie.

Figure 3.13 : Implémentation des profils en travers mesurés et interpolés

Implémentation des ouvrages :

Les ouvrages en travers (passerelle, seuil et pont) ont été caractérisés sous Hec-Ras à partir des documents techniques disponibles. 

  • La passerelle​

​Elle repose sur 9 piles de forme ovale. La perte de charge qu'elles ocasionnent a été paramétrée lors du calage.

Figure 3.14 : Profil de la passerelle implémenté sous Hec-Ras

  • Le seuil

Le seuil est composé d'un ouvrage maçonné assez irrégulier et assimilable à un seuil épais équipé d'une vanne mince fixe calée à la cote NGF 294,13 m.

Figure 3.15 : Profil du seuil implémenté sous Hec-Ras

 

  • Le pont 

Figure 3.16 : Profil du pont implémenté sous Hec-Ras

Afin de prendre en compte les effets de contraction et d'expansion liés aux effets des talus routiers, le manuel d'utilisation préconise l'utilisation de deux profils en travers en amont et deux en aval du pont à des distances spécifiques, comme décrit sur la figure ci-dessous.

Figure 3.17 : Placement des profils en amont en en aval du pont. Source : Hec-Ras User Guide

 

Deux d'entre eux doivent être situé en amont et en aval immédiat de l'emprise du pont. Les deux autres profils sont implantés à des distances qui sont déterminées en fonction:

  • de la largeur de la section d'écoulement sous le pont (19,50 m) et de la largeur  de la plaine inondable (90 m),
  • des coefficients de Strickler du lit mineur (environ 25 m1/3.s-1) et de la plaine inondable (entre 10 et 15 m1/3​.s-1) - ces valeurs utilisées sont issues de la littérature et feront l'objet d'un calage plus fin dans la suite de l'étude-,
  • de la pente locale du fond (6.10-4 m/m).

A partir de la méthodologie de détermination des distances entre le pont et le profil aval à prendre en considération, la distances de 70 m a été retenue. Concernant le profil amont la distance préconisée peut être estimée à une fois la largeur de la section d'écoulement soit environ 20 m.

 



 

Conditions aux limites 

Sous l'hypothèse d'écoulement fluvial, les conditions limites imposées pour la résolution du calcul hydraulique sont :

  • un débit en entrée,
  • une hauteur imposée en aval.

Pour les conditions en entrée, les débits disponibles ont été présentés dans la partie I.

Pour les conditions aux limites aval, il n'existe pas de section de contrôle en aval du site permettant d'établir une courbe de tarage fiable en dehors de la station de jaugeage de Soulosses-sous-Saint-Elophe située à environ 6 km en aval d'Harchéchamp. Ne disposant pas de données suffisantes pour réaliser une géométrie entre Harchéchamp et Soulosse, le choix a été fait d'établir une courbe de tarage en aval du site sous l'hypothèse d'écoulement d'uniforme. Cette hypothèse peut se justifier en particulier par une certaine régularité de la section d'écoulement en aval du pont d'Harchéchamp et par la régularité de la pente du fond, observées sur les données disponibles.

Plusieurs courbes de tarage ont été réalisées en modélisant les écoulements en régime normal sur un tronçon de 600 m en aval immédiat de la zone d'étude et ce pour différentes gammes de coefficients de Strickler couramment utilisés dans la modélisation hydraulique en rivière. On observe sur le graphique ci-dessous une sensibilité assez importante des résultats à la variation des coefficients de Strickler, pouvant générer une variation de la hauteur d'eau en amont jusqu'à 0.5m pour un débit centennal.

Figure 3.18 : Courbe de tarage construite en aval du tronçon étudié sous hypothèse d'un écoulement uniforme

Afin d'étudier l'influence de cette condition limite aval sur la modélisation des écoulements sur la zone d'étude, les trois courbes de tarage ont été testées pour un débit décennal (94 m3/s) et des valeurs de coefficient de Strickler de 25 en lit mineur et 15 en lit majeur. Il s'en suit que l'influence de cette condition aval se fait effectivement ressentir sur la cote de la ligne d'eau. Cependant la limite de la zone d'influence reste localisée en aval du pont sans influencer les résultats au niveau des habitations.

 

Figure 3.19 : Etude de sensibilité à la condition limite aval

Calage et validation du modèle hydraulique

La bathymétrie du cours d'eau ainsi que les ouvrages sont maintenant implémentés sous Hec-Ras. On cherche alors à caler les paramètres du modèle hydraulique sur les observations disponibles.

Calage et validation du lit mineur

  • Paramétrisation du modèle

Dans un premier temps, le coefficient de Strickler est calé pour  le lit mineur, ainsi que le coefficient de débits du seuil. On dispose pour celà des lignes d'eau relevé lors de l'étude menée par Génivar et du débit moyen journalier au 23 Juillet 2012.

Le seuil est constitué d'une porte assimilable à un seuil mince, et un seuil épais trapézoïdal.

On implémente dans HEC-RAS la loi de seuil suivante, qui convient aux seuils dénoyés :

Q = C . L . H1.5

avec :

- Q : débit au droit du seuil

- C : coefficient de seuil

- L : largeur du déversoir

- H : hauteur de la nappe déversante
 

Remarque : HEC-RAS est par la suite capable d'ajuster la valeur du coefficient de seuil dans le cas où le seuil devient partiellement noyé, en fonction de la hauteur aval. Le logiciel est de plus capable, en cas de seuil complétement noyé (ou "effacé"), d'opter pour une méthode de calcul basée sur l'énergie plutôt que sur une équation de seuil.

Le coefficient de Strickler sera quant à lui pris à une valeur standard avant d'être ajusté ; il y a de toute façon peu d'information sur la composition granulométrique du lit et des berges pour délimiter une valeur de Strickler de départ.

Des paramètres supplémentaires ont été fixés sans avoir pu faire l'objet d'un ajustement par calage. Ainsi, aux droits du pont et de la passerelle, on choisit une approche par bilan de quantité de mouvement ("Momentum") pour modéliser leurs impacts sur la ligne d'eau. L'équation requiert les coefficients de trainée des piles, que l'on fixe à 0.3 pour celles de la passerelle (rapport longueur sur largeur de 6 pour 1), et 1,39 pour la pile du pont (nez triangulaire avec un angle de 30° à 60°) en se référant au guide de référence hydraulique d'Hec-Ras.

  • Calage du modèle sur les débits de Juillet 2012

On se base sur les lignes d'eau relevées par Genivar lors de la campagne de terrain de 2012 pour réaliser le calage.

Le calage mène à un coefficient de Strickler de 25 m1/3.s-1 dans le lit mineur en l'aval du tronçon et à un coefficient de débit de 1,75 pour la porte qui est assimilée à un seuil mince. Pour le coefficient de Strickler de la zone amont, l'influence du seuil ne permet pas un calage précis du lit mineur.

Tableau 3.3 : Calage du lit mineur

Date des mesures Emplacement Cote NGF de la surface libre mesurée (m) Cote NGF de la surface libre simulée (m) Erreur
Juillet 2012 Sous la passerelle 294.20 294.23 3,2%
Juillet 2012 Amont du seuil 294.19 294.23 4,3%
Juillet 2012 Aval du seuil 292.97 292.99 11%

Remarque : les erreurs sont calculées à partir des hauteurs d'eau et non pas des cotes NGF.

  • Validation sur 2007

 La validation du modèle est réalisée sur les données issues de l'étude d'Hydratec et relevés le 23 avril 2007.

Tableau 3.4 : Validation du lit mineur

Date des mesures Emplacement Hauteur de la surface libre mesurée (m) Hauteur de la surface libre simulée (m) Erreur
23 Avril 2007 Amont du seuil 294.38 294.37 0.7%
23 Avril 2007 Aval du seuil 293.43 293.28 29%

Les lignes d'eau simulées sont représentées sur le profil en long de la rivière au niveau d'Harchéchamp.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 3.20 : Lignes d'eau du Vair pour les deux débits d'étiage 

  • Commentaires

Le calage du lit mineur et des ouvrages apparaît acceptable mais mérite cependant d'être relativisé. En effet,  l'influence du seuil se faisant ressentir sur une très longue distance en amont par son effet de retenue, la ligne d'eau pour de faible débit est essentiellement influencée par le seuil. Ainsi, le coefficient de Strickler du lit mineur de cette zone est impossible à déterminer. Aussi, le coefficient de Strickler du lit mineur de la zone à l'aval lointain qui donne en revanche des résultats satisfaisant a été retenu pour décrire la zone amont.

Enfin, les erreurs à l'aval immédiat du seuil peuvent être imputées à la bathymétrie accidentée et irrégulière du site visible sur les photos ainsi qu'au manque d'information sur la localisation des mesures.



 

Calage et validation du lit majeur

  • Objectif

Le calage du modèle a ensuite été réalisé pour le lit majeur en appliquant au lit mineur les valeurs de coefficient de Strickler obtenues précedemment.

Ainsi, la crue de décembre 2011, la plus riche en mesures et observations au niveau d'Harchéchamp, va servir à caler les coefficients de Strickler du lit majeur.

La validation de cette paramétrisation sera effectuée sur la récente crue de février 2013. L'hydrogramme de crue est issu du site vigicrues.gouv.fr. Ce site publie des données à titre informatif qui ne sont ni critiquées, ni validées, susceptibles d'être modifiées, et n'ayant aucune valeur officielle. Des photos de cette crue ont été prises à Harchéchamp par un membre du binôme 2 et ont permis de reconstituer quelques repères de crues.

  • Simulations et calage (crue de 2011)

Deux moyens de calage sont disponibles : la création d'une tache d'inondation d'une part, et la visualisation de la ligne d'eau d'autre part.

Le module Ras-Mapper du logiciel Hec-Ras peut en effet générer une tache d'inondation plutôt qu'une visualisation de la ligne d'eau, en s'appuyant sur un fichier "terrain" contenant le modèle numérique de terrain. 

Les travaux de Horrit & Bates (2002) montre que pour un écoulement rassemblant certaines hypothèses, les résultats des simulations 1D du logiciel HEC-RAS, bien que découlant d'une méthode plus simple, sont comparables à ceux d'une modélisation 2D, lorsque le module Ras-Mapper est utilisé pour visualiser les taches d'inondation. En revanche, ceci implique de posséder un modèle numérique de terrain de résolution acceptable.

Ce moyen sera privilégié pour effectuer le calage du modèle. En effet, les deux laisses de crues en aval du seuil relevées par Genivar sont sujettes à plus d'approximation que les photos aériennes. Cependant, il faut rappeler que le MNT est d'une résolution discutable.

Le processus de calage mène à un Strickler du lit majeur de 15 m1/3.s-1. Le lit majeur est régulier, essentiellement constitué de champs cultivés et d'herbe basse, il n'y a pas lieu de définir des zones particulières plus rugueuses.

Dans un premier temps le coefficient de seuil a été calé à 1,6. Cependant, compte tenu des débits étudiés, il s'avère que celui ci étant totalement ennoyé, le coefficient de seuil n'intervient plus dans le calcul hydraulique.

 

Figure 3.21-3.22 : Comparaison de la tache d'inondation observée et simulée (gauche) et exemple de photo utilisée (droite, source : Epama)

(Cliquer pour agrandir)

  • Validation (crue de 2013)
 

Figure 3.23 - 3.24 : Comparaison de la tache d'inondation observée et simulée (gauche) et exemple de photo utilisée (droite)

(Cliquer pour agrandir)

  • Commentaires

On constate que la tache d'inondation est cohérente sur les zones à pentes régulières, qu'elles soient faibles ou fortes. Cependant, lorsque la zone présente des discontinuités de type "escaliers", typiquement la route en rive droite, la tache d'inondation modélisée diffère des observations. Cela s'explique par le fait qu'une petite surestimation de la hauteur entraîne une mince couche d'eau qui s'étend largement sur le plat sans difficultés. On le vérifie sous Hec-Ras car les lignes d'eau au niveau de la route sont de l'ordre du centimètre.

Il faut critiquer la précision du modèle numérique de terrain sur lequel s'appuie Hec-Ras pour générer la tache, qui diffère parfois jusqu'à 80 cm des levés topographiques. Il a été de plus nécessaire de prolonger les profils implémentés sous Hec-Ras afin de couvrir l'intégralité du lit majeur en se basant sur le MNT, malgré  des doutes sur la cohérence entre les deux séries de données (levée topographique et MNT). Compte tenu de ces observations, on conclut sur la nécessité d'affiner et de valider les données topographiques afin d'assurer une fiabilité des résultats.

Le calage ainsi obtenu est retenu pour la modélisation avec cependant une certaine prudence sur la fiabilité des résultats développés ci-après.

 

 

Partie III : Scénarios d'aménagement

Impact hydraulique des scénarios

Etude hydraulique de l'influence du pont et du seuil sur les inondations

  • Aménagement du pont

En simulant les crues de projets (Q10, Q25, Q50, et Q100), on se rend compte que le pont situé à l'aval du village ne rentre pas en charge. La perte de charge amont-aval causée par le pont est de plus négligeable. La réduction de la section hydraulique n'implique pas d'effet de retenue majeur.
Ces éléments nous permettent de conclure sur le bon dimensionnement du pont construit récemment et sur son impact négligeable sur les inondations. Aucun aménagement n'est à prévoir.

  • Arasement total ou partiel du seuil

 La ligne d'eau a été modélisé pour les crues de projet, dans le cas où l'on arase le seuil à sa hauteur moitié, et dans le cas où l'on le dérase, comme illustré sur la figure ci-dessous :

Figure 3.25 : Scénarios d'arasement et de dérasement du seuil (cliquer pour agrandir)

 

Figure 3.26 : Lignes d'eau avant et après dérasement du seuil (cliquer pour agrandir)

 

Pour des crues de projet, force est de constater que le seuil s'efface et devient complètement noyé. Après des simulations pour des débits inférieurs, on se rend compte qu'il s'efface lors de crues qui n'impactent pas le village en terme d'inondation. Dès lors, on en conclut que dans une problématique d'inondation, l'arasement total ou partiel du seuil n'est pas indispensable.

Il faut par ailleurs noter que le dérasement du seuil implique un abaissement conséquent de la ligne d'eau au niveau du village pour des débits hors crue. Cet impact est à prendre en considération notamment pour les usages halieutiques et paysager.



 

Étude hydraulique des aménagements envisagés

  • Construction d'un mur le long du Vair en rive droite

Hec-Ras permet l'implantation de structures latérales de protection. Un mur seul permet de se protéger des crues, cependant sa hauteur dépend du degré de protection que l'on souhaite atteindre.

Le tableau ci-dessous résume les caractéristiques du mur nécessaire à la protection des habitations dans le village pour les crues de projet.

Tableau 3.5 : Caractéristiques du mur de protection

Débits de crue Hauteur de mur moyenne Hauteur de mur maximale Longueur du mur
Q10 22 cm 55 cm 414 m
Q25 54 cm 79 cm 450 m
Q50 64 cm 96 cm 522 m
Q100 72 cm 101 cm 617 m

Plusieurs remarques sont à faire :

  • Les cotes du mur sont calées à partir des cotes de la route, repère altimétrique sur lequel nous avons décidé de nous appuyer pour considérer le début de l'inondation. Cependant, deux habitations se trouvent entre la rive droite du Vair et la route. Pour ces habitations, une protection particulière doit être pensée.
  • Un mur de protection implique la mise en place :

- de stations de pompage nécessaires pour évacuer d'une part les eaux de ruissellements du sous bassins versant délimité par le mur, et d'autre part les volumes d'eaux liés aux risques de survers en cas d'élévation de la cote du Vair au delà de la cote du mur. Ces stations de pompages doivent implanter aux points bas du village.

- de batardeaux amovibles permettant de protéger le village des arrivées d'eau issues de la route et de l'accès à la passerelle.

Figure 3.27 : Plan d'aménagement d'un mur de protection

  • Aménagement de la rive gauche du lit majeur

Approche physique de la proposition d'aménagement étudiée :

Compte tenu des résultats évoqués ci dessus, et de l'impact paysager que pourrait engendrer la construction d'un mur de protection, l'aménagement du lit majeur de la rive gauche a été également envisagé. Le principe de ces travaux consistent à rechercher une augmentation de la débitance du Vair en augmentant la section d'écoulement pour les débits de crue par recalibrage de la rive gauche. 

L'effet de la débitance sur la diminution des pertes de charge et l'abaissement de la ligne d'eau est traduit par la relation suivante :

 

$ J = \frac{H_{amont}-H_{aval}}{L} = \frac{Q^2}{D^2} $

​avec

  • J la perte de charge linéaire (m/m)
  • L la longueur du tronçon (m)
  • H la charge hydraulique (m)
  • Q le  débit (m3/s)
  • D la débitance ​(m3/s) tel que D = Ks.S.Rh2/3 avec
    • Ks le coefficient de Strickler (m1/3.s-1)
    • ​S la section mouillée (m2)
    • et Rh le rayon hydraulique (m) tel que  Rh soit égal au rapport de la section d'écoulement S sur le périmètre mouillé Pm.

La débitance peut ainsi être exprimée en faisant apparaître le périmètre mouillé : D=Ks.S5/3.Pm-2/3.

Aussi en faisant augmenter de façon optimale le produit S5/3.Pm-2/3, il est possible d'augmenter significativement la débitance et donc à débit et coefficient de frottement égaux de diminuer les pertes de charge le long du tronçon considéré. Cette diminution des pertes de charges ainsi générée se traduit alors par un abaissement de la ligne d'eau en amont du tronçon.

Description des travaux :

Les travaux consiste à recalibrer la rive gauche du Vair entre la zone amont et le seuil. La zone d'emprise des travaux est contrainte latéralement par la présence de deux anciennes bâtisses agricoles et en aval par l'aire de stockage de la scierie. Concernant la passerelle située en amont, un aménagement particulier assurant une bonne transparence hydraulique devra être prévu pour la raccorder au nouveau profil. Un plan d'aménagement est présenté ci dessous.

Figure 3.28: Aménagement de la rive gauche du Vair

Le recalibrage envisagé ne porte que sur le lit majeur. Le dimensionnement a été réalisé en définissant une pente de la zone d'expansion de 0,5% ainsi qu'une pente de raccordement au terrain naturel (limite de zone d'emprise des travaux) de 10% permettant d'assurer une stabilité des terrains et une intégration paysagère acceptable.

La cote de débordement du lit mineur a alors été calée en abaissant successivement l'ensemble des profils jusqu'à obtenir une efficacité de l'aménagement ( non inondation de la route au niveau des habitations) pour un débit défini (Q10).

Figure 3.29 : Illustration du décaissement du lit majeur en rive gauche

Résultats de la modélisation hydraulique :

Le calage des profils permettant d'éviter les crues pour la crue décennale a permis de définir une nouvelle topographie de la rive gauche. Les résultats de la modélisation hydraulique sont présentés dans le graphique ci dessous.

Cet aménagement permet un abaissement conséquent de la ligne d'eau au niveau des habitations de 0,2 m à 0,4 m pour l'ensemble des débits de projets.

Il permet ainsi d'abaisser la fréquence d'apparition de la ligne d'eau de temps de retour 10 ans à un temps de retour de 25 ans et d'abaisser considérablement les cotes des lignes d'eau pour les débits de crue de temps de retour 50 ans et 100 ans.

 

Figure 3.30 : Étude de l'impact sur la ligne d'eau de l'aménagement de la rive gauche  (Cliquer pour agrandir)

Limites et perspectives du recalibrage de la rive gauche

Limites du projet :

Compte tenu du volume important des terrassements mis en jeu, de l'ordre de 80 000 m3 , le choix a été fait de présenter une version minimaliste en terme de résultats pouvant être attendus par cette typologie de travaux. Elle présente en effet:

  • une limite temporelle lié au temps de retour des inondations qui restent assez élevés (limite de fonctionnement pour des débits supérieurs aux débits décennaux),
  • une limite spatiale liée à la non prise en compte de la scierie située en aval du seuil.

Perspectives d'améliorations :

L'étude de scénarios plus ambitieux basés sur cette typologie de travaux nécessiterait l'utilisation d'un logiciel de CAO-DAO permettant de faire aisément évoluer la topographie du site et d'augmenter le nombre de simulations afin d'optimiser les profils à mettre en oeuvre.

Par ailleurs deux autres pistes peuvent être envisagé pour répondre aux limites présentées ci dessus :

  • le couplage du recalibrage avec une protection physique vis à vis des crues -de type mur- étudiée précédemment,
  • la protection de la scierie -aval rive gauche en aval du seuil- par le réemploi des matériaux issus des terrassements.

Ces deux axes sont développés ci après.

 

Protection de la scierie contre les inondations

Deux alternatives existent quant à la protection de la scierie ; soit la construction d'une digue de protection, soit le remblaiement de l'ensemble de la plateforme de stockage. La géométrie du site a été modifiée de façon à protéger la scierie de la crue de temps de retour 25 ans, soit une hauteur maximum de remblai d'environ 1.5 m.

Le graphique ci dessous traduit l'élévation de niveau d'eau au niveau de la zone urbanisée. Celle-ci évolue entre +0,02 m et +0,06 m.

 

Figure 3.31 : Étude de l'impact sur la ligne d'eau de l'ouvrage de protection de la scierie

 

  • Compromis aménagement de la rive gauche du lit majeur + mur

Ce troisième et dernier scénario conserve le recalibrage du lit majeur en rive gauche adjoint d'un mur de protection, bien entendu moins imposant que s'il avait été prévu seul. On résume ses caractéristiques dans le tableau ci-après :

Débits de crue Hauteur de mur moyenne Hauteur de mur maximale Longueur du mur
Q10  Protégé par le recalibrage    
Q25 26 cm  (-28cm)* 79 cm 450 m
Q50 36 cm   (-28cm)* 96 cm 522 m
Q100 49 cm   (-23cm)* 101 cm 617 m

* : gain par rapport au scénario de murs seuls

Tableau 3.6 : Caractéristiques du scénario de compromis entre mur et recalibrage de la rive gauche

Evaluations financières

Les propositions d'aménagement de la rive gauche et de l'ouvrage de protection contre les inondations ont été estimées financièrement.

Estimation financière de l'aménagement de la rive gauche 

Les principaux postes de cet aménagement sont :

  • le décapage et la mise en dépôt de la couche végétale sur une épaisseur de 0.25 m,
  • le reprofilage de la rive gauche du lit majeur,l'évacuation des déblais. Sur ce point, il réside une part importante d'incertitude liée aux possibilités de réemploi des matériaux. Le chiffrage proposé est basé sur une évacuation dans un rayon d'une trentaine de kilomètres.
  • la remise en forme et la revégétalisation du site,
  • enfin le prolongement de la passerelle en vue de son raccordement au terrain reprofilé.

Le chiffrage est présenté ci dessous. Il en sort une évaluation du coût des travaux de l'ordre de 1 000 000 d'euros.

Tableau 3.7 : Chiffrage du scénario d'aménagement du lit majeur de la rive gauche

 

L'aménagement de la zone de protection de la scierie n'entraîne pas de surcoût des travaux voir certaine un abaissement du montant compte tenu des économies réalisées sur les postes d'évacuation des matériaux.

 



 

Estimation financière de l'aménagement d'un mur de protection

En se basant sur les prix unitaires de l'étude préliminaire du bureau d'études Hydratec ainsi que sur les retours d'expériences disponibles sur le site eaufrance.fr, un chiffrage estimatif du coût de la construction du mur de protection a été réalisé. Le détail du coût estimatif du mur de protection contre la crue décenale est présenté ci dessous.

Tableau 3.8 : Chiffrage du scénario d'aménagement d'un mur de protection contre Q10

En appliquant les même prix unitaires, les coûts du mur de protection vis à vis des différentes crues de projet ont été estimés et sont présentés dans le tableau ci dessous.

Tableau 3.9 : Synthèse des prix des différents scénarios d'aménagement du mur



 

Estimation financière de la solution mixte "mur et recalibrage"

 

Tableau 3.10 : Synthèse des prix des différents scénarios d'aménagement du mur

Synthèse des impacts des aménagements

 La synthèse des résultats obtenus ainsi qu'une analyse des impacts des différents scénarios est présentée ci dessous.

 

Scénarios Protection contre les innondations Estimation de prix

Impact paysager

Impact environnemental

Sans aménagement (état actuel)

jusqu'à Q5

- -
  • Seuil non franchissable
Arasement/dérasement du seuil

Aucun effet,

jusqu'à Q5

40 k€
  • Abaissement de la ligne d'eau en été  (usage halieutique et aspect paysager perturbés)
  • Positif en terme de franchissabilité abiotique et biotique
Mur de protection en rive droite

de Q5 à Q100 en fonction de l'efficacité voulue (hauteur de mur),

Scierie non protégée.

de 346 k€ à 612 k€
  • Visibilité réduite de la rivière,
  • Peu esthétique.
  • Seuil non franchissable
Recalibrage de la rive gauche

jusqu'à Q10

Scierie non protégée.

1 000 k€
  • Bonne intégration paysagère possible (zones humides),
  • Prolongement de la passerelle.
  • Bonne intégration environnementale de la rive gauche,
  • Seuil non franchissable
Mur et recalibrage de la rive gauche

de Q5 à Q100 en fonction de l'efficacité voulue (hauteur de mur),

Scierie non protégée.

1000 à 1500 k€
  • Diminution de hauteur du mur.
  • Bonne intégration environnementale de la rive gauche,
  • Seuil non franchissable
Option : Protection contre les crues de la scierie

jusqu'à Q25

Impact sur la ligne d'eau amont  +0.04m

Pas de surcoût
  • Peu esthétique
 -

Tableau 3.11 : Tableau d'aide à la prise de décision sur les scénarios d'aménagement

Conclusions et bibliographie

Conclusions de l'étude hydraulique 

La première information importante à retenir de cette étude est l'impact quasi inexistant du seuil sur l'élévation du niveau d'eau en période d'inondation du village. D'un point de vue hydraulique, son arasement ou son dérasement ne semble pas prioritaire en terme de lutte contre les inondations mais doit faire l'objet d'une réflexion dans le cadre de la restauration de la continuité écologique.

​Ensuite, deux aménagements ont été proposés : 

  • l'établissement d'un mur de protection, aménagement le moins coûteux mais présentant un impact paysager non négligeable,
  • le recalibrage du lit majeur de la rive gauche, plus coûteux que la solution précédente à efficacité égale mais présentant une meilleure intégration paysagère  et permettant une valorisation une écologique. Ce scénario nécessite également une intervention sur le passerelle qui doit être prolongée.

Le couplage entre les deux solutions semblent également être une solution intéressante qui limite l'impact paysager lié à la construction du mur de protection.

Enfin la décisions final doit passer par une recherche de compromis entre l'efficacité attendues en terme de lutte contre les inondations, le coût induit par les aménagements ainsi que leurs  impacts paysagers et environnementaux. A ce titre des améliorations peuvent être apportées au projet par une optimisation du recalibrage et par une recherche de possibilité de réemploi des matériaux excédentaires issus des terrassements en particulier dans le cadre de la mise en oeuvre de Zones de Rétention Dynamiques des Eaux.

 

Bibliographie utilisée par le binôme 3

 

  • Hec-Ras User's Manual version 4.1, jan. 2010
  • Hec-Ras Hydraulic Reference Manual version 4.1, jan. 2010
  • Estimation de paramètres en hydraulique fluviale, à partir de données caractéristiques de l’imagerie aérienne​, H. Roux, déc. 2004
  • Evaluation of 1d and 2d numerical models for predicting river flood inundationHorritt M. & Bates P., 2002, J. of Hydrology​

  • Guide méthodologique pour le pilotage des études hydrauliques, Rapport du Ministère de l'Ecologie, du Développement et de l'Aménagement Durable, sept. 2007
  •  Stratégie d’intervention de l’Agence de l’Eau sur les seuils en rivière, Malavoi J.-R., Paris P., sept. 2003

 

On s'appuie également sur les nombreux retours d'expérience d'aménagements, compilés sur le site eaufrance.