Le dimensionnement des ouvrages

Cette partie vise simplement à donner quelques indications, quelques notions à propos du dimensionnement des ouvrages de gestion des eaux pluviales tels que les bassins d’orage.

Un particulier peut utiliser ces informations pour se faire une idée de la quantité d’eau qu’il est possible de récupérer mais le dimensionnement d’une cuve tiendra compte aussi des besoins en eau de son futur utilisateur. Voir la partie « Récupération d’eau de pluie ».

Un ouvrage d’infiltration sera proportionné en tenant compte de la capacité d’infiltration du sol (pour le débit de fuite), et une collectivité devra se baser sur des pluies beaucoup plus importantes (décennales à centennales) pour inclure les risques d’inondation dans la gestion des eaux pluviales. Les valeurs de ces pluies exceptionnelles sont des informations payantes à demander aux centres départementaux de Météo France. Elles prennent la forme de graphiques complexes basés sur des moyennes et des calculs de probabilité et sont plutôt destinés à des bureaux d’étude.

 

Quelle quantité d’eau y’a t’il à gérer en dehors des pluies exceptionnelles ?

 

Dans l’Oise, d’après Météo France, les précipitations (pluie, neige, grêle) sont en moyenne de :

• 668 mm/an
• 116 jours à plus de 1 mm
• 18 jours d’orage/an
• 2,9 jours à plus de 20 mm (pluie intense)
• Un record de 64,7 mm en 24h, le 2 juillet 1953
• Peu de différence entre le mois le plus sec et le mois le plus arrosé (49 mm en avril et 68 mm en décembre)
De cette quantité d’eau qui tombe, voyons ce qui ruisselle. Dans le tableau 1 ci-dessous, qui présente les coefficients de ruissellement de différentes surfaces, la différence avec 1 représente la proportion d’eau qui s’infiltre, s’évapore ou est utilisée par des plantes. Les toitures considérées ici sont indifféremment de type zinc, ardoise, tuile plate, tuile mécanique (avec système d’emboîtement) ou terrasses.

 

Pluviometre

Pluviomètre à transmission
automatique de données.
Photo : Météo France.

Type de surface Coefficient de ruissellement
Toitures en pente 1
Toitures plates 0,9
Béton 0,85
Goudron 0,76
Pavés, dalles, carrelage 0,67
Graviers et sable 0,31
Végétation sur sol perméable 0,1
Végétation haute sur sol imperméable 0,5

Tableau 1 : coefficients de ruissellement de différentes surfaces.
D’après M.C. Gromaire Mertz, 1998.

 

1 mm de précipitation sur 1 m² = 1 litre

Pour une surface de 100 m², un jour de pluie intense (plus de 20 mm de précipitations d’après Météo France) représente donc plus de 100 x 20 = 2 000 litres d’eau à gérer.
Comme 1 m³ = 1000 litres, il faut compter 2 m³ de volume pour 100 m² de surface de captage un jour de pluie intense. Pour une toiture en pente, on basera le calcul sur la surface d’occupation au sol. Pour une surface plane, on tiendra compte du coefficient de ruissellement. Le tableau 2 ci-dessous présente quelques ordres de grandeur de volumes d’eau à gérer en m³. Pour information : 1 ha = 10 000 m².

Surface (m²) 100 200 500 1000
Toitures en pente 2 4 10 20
Toitures plates 1,8 3,6 9 18
Béton 1,7 3,4 8,5 17
Goudron 1,52 3,04 7,6 15,2
Pavés, dalles, carrelage 1,34 2,68 6,7 13,4
Graviers et sable 0,62 1,24 3,1 6,2
Végétation sur sol perméable 0,2 0,4 1 0,2
Végétation haute sur sol imperméable 1 2 5 10

Tableau 2 : Quelques indications de volumes d’eau (m³) à gérer un jour de pluie intense en fonction de l’importance et de la nature des surfaces. (Valeurs calculées à partir des données de M. C. Gromaire Mertz, 1998, et de Météo France).

Les pluies exceptionnelles

Les pluies décennales, comme leur nom l’indique, ont une période de retour de dix ans. Cela ne signifie pas qu’elles surviennent forcément une fois tous les dix ans ; il peut très bien y en avoir deux la même année puis plus du tout pendant cinquante ans. Ce sont des probabilités. Cela signifie plutôt que chaque année, une pluie décennale a 10% de chances de survenir. De même, chaque année, une pluie centennale a 1% de chances de survenir.
Le dimensionnement des ouvrages pour les pluies décennales est un compromis entre le coût de l’ouvrage et le risque d’inondation. Les ouvrages dimensionnés pour des pluies centennales coûtent beaucoup plus cher et n’ont que peu de chances chaque année d’être utilisés à leur pleine capacité. Les ouvrages publics de gestion de l’eau doivent être dimensionnés pour pouvoir contenir des pluies au moins décennales dans le cas où un débordement ne causerait que des dégâts matériels, centennales si des vies humaines sont en jeu.

Les informations concernant les hauteurs de précipitations en fonction du temps de retour (pluies décennales…) prennent la forme de graphiques complexes basés sur des moyennes et des calculs de probabilités. Elles sont spécifiques à chaque station météo et peuvent être acquises contre paiement auprès des centres départementaux de Météo France. Nous ne sommes donc pas autorisés à les diffuser. Toutefois les collectivités font le plus souvent appel à des bureaux d’étude spécialisés qui se chargent de recueillir ces informations et pourront également assurer la maîtrise d’œuvre lors des travaux.

 

Le débit de fuite

Le dimensionnement d’un ouvrage doit tenir compte de deux débits de fuite possibles. Le premier pour le fonctionnement normal de l’ouvrage (infiltration ou écoulement lent), le deuxième en cas de trop-plein. Un ouvrage bien dimensionné verra peu fonctionner son trop-plein, il sera capable d’absorber la plupart des pluies. Aucune infiltration ni aucun déversement ne sera effectué dans un milieu sensible si l’eau est polluée.

Débit de fuite par infiltration

Pour un ouvrage d’infiltration de l’eau dans le sol, il est nécessaire de faire faire une étude de sol. L’étude est réalisée par sondage à la tarière ou par creusement d’une fosse pédologique (pédologie : science qui étudie les sols). Elle permet de déterminer la nature du sol en fonction de la profondeur et d’évaluer la perméabilité (pour savoir si elle est suffisante) et la proximité de la nappe. L’infiltration n’est pas possible dans un terrain imperméable (argileux).

Il faut s’assurer que la hauteur la plus importante que peut prendre la nappe souterraine est à au moins un mètre sous le niveau le plus bas du futur ouvrage, voir plusieurs mètres selon le terrain. Sinon, l’eau rejoindra la nappe avant que le sol n’ait eu le temps d’accomplir sa fonction épuratrice. Pire, l’ouvrage pourrait être inondé par la nappe et la nappe polluée directement par l’ouvrage. Des indications peuvent être fournies par des traces de stagnation d’eau dans la fosse pédologique, par la consultation d’atlas hydrogéologiques et par des archives de mesures piézométriques (mesures de niveau d’eau dans un puits, le plus proche possible du lieu de votre projet).

Le site internet de ADES, le portail national d’Accès aux Données sur les Eaux Souterraines, répertorie les mesures piézométriques effectuées en France depuis les années cinquante. Si un piézomètre se trouve suffisamment près du lieu de votre projet et si aucun élément influant (vallée, falaise, carrière, cours d’eau…) ne l’en sépare, alors ce site peut vous donner une idée du niveau le plus haut de la nappe sous votre future installation :
www.ades.eaufrance.fr

FossePedologique

Fosse pédologique.
Photo : Christian Walter.

Débit de fuite par écoulement

Pour l’écoulement lent, l’ouvrage devra être assez grand pour stocker l’eau en attendant qu’elle ne s’écoule vers le milieu récepteur ou le réseau public. Il peut y avoir pour cela un débit limite autorisé, fonction du contexte. On peut éventuellement installer un régulateur de débit pour assurer le respect de ce débit limite.

 

Pour le trop-plein, une surverse de sécurité dirigera vers un exutoire les éventuels débordements dus à des pluies exceptionnelles ou à un encombrement de l’évacuation par des débris végétaux ou autres. Elle doit être munie d’un clapet anti-retour s’il y a un risque de montée des eaux depuis l’aval, en particulier depuis le réseau d’assainissement (risque d’apport d’eau usée dans l’eau pluviale).

Au-delà de l’aspect quantitatif de l’eau à stocker, il faut aussi tenir compte du rôle de l’ouvrage dans la dépollution. L’eau de pluie ayant ruisselé sur des surfaces imperméabilisées est essentiellement polluée par des particules décantables. On les appelle MES (matières en suspension). Le tableau 3 ci-dessous présente le pourcentage de MES intercepté en fonction du volume de stockage par hectare de surface imperméabilisée.

RegulateurDebit-300x122

Exemple d’un régulateur de débit : un flotteur actionne
une guillotine qui obstrue l’orifice de sortie.
Source : Techneau.

Volume de stockage (m³/ha imper.) MES % intercepté de la masse produite annuellement MES % intercepté de la masse produite à l’occasion des évènements critiques Fréquence des rejets résiduels (nombre/an)
Rejet moyen Gros rejet
20 36 – 56 5 – 10 4 – 14 2 – 4
50 57 – 77 13 – 29 2 – 10 1 – 3
100 74 – 92 26 – 74 2 – 4 1 – 2
200 88 – 100 68 – 100 1 – 3 0 – 1

Tableau 3 : efficacité des ouvrages en fonction de leur dimensionnement. D’après : CETE Sud Ouest, 2002.

 

 

Plus le volume de stockage par hectare de surface imperméabilisée est grand, plus l’ouvrage assure efficacement sa fonction de dépollution. Cela s’explique très bien : une grande capacité de stockage permet à l’eau de décanter plus longtemps.

 

Pour résumer, le dimensionnement des ouvrages de gestion des eaux pluviales doit tenir compte pour le débit entrant :

• de la pluviométrie (dont les événements exceptionnels pour les ouvrages publics)
• du coefficient de ruissellement
• de la surface totale de captage
• de la surface imperméable de captage
Et pour le débit sortant :

• du débit de fuite autorisé
• du délai de vidange maximum acceptable (6 heures, pour que l’ouvrage puisse absorber deux orages consécutifs)
• de la pollution à éliminer et du devenir souhaité de l’eau (récupération, rejet vers milieu naturel ou réseau public)
• de la capacité d’infiltration du sol (pour les ouvrages d’infiltration)

Pour en savoir plus :

Site de Météo France, climat de l’Oise :
www.meteofrance.com/FR/climat/dpt_tempsdumois.jsp ?LIEUID=DEPT60

Pollution des eaux pluviales urbaines en réseau d’assainissement unitaire,
M.C. GROMAIRE MERTZ, 1998 partie 1 – contexte expérimental :
http://pastel.paristech.org/117/00/chap11_13.pdf

Portail national d’Accès aux Données sur les Eaux Souterraines :
www.ades.eaufrance.fr

Guide de gestion des eaux de pluie et de ruissellement, communauté d’agglomération du Grand Toulouse, 2006 :
www.grandtoulouse.org/index.php?pagecode=376

Site de l’Association Douaisienne pour la Promotion de Techniques Alternatives :
http://adopta.free.fr/accueil.htm