Chapitre 2

II. Le ruissellement urbain
 Définition:
 Le ruissellement est la partie des précipitations qui ne s'infiltre pas dans le
sol et ne s'évapore pas dans l'atmosphère.
 Il est considéré comme Aléa lorsque les précipitations sont intenses .
II. Le ruissèlement urbain
 L’hydrologie urbaine s’occupe principalement du ruissèlement
 Les extensions des zones urbaines et des infrastructures de transport sont
susceptibles d’aggraver les effets néfastes du ruissellement pluvial sur le
régime et la qualité des eaux ainsi que sur la sécurité des populations.
 Les conditions d’écoulement naturelles se modifient totalement dans le
milieu urbain à cause de l’imperméabilisation du bassin versant;
II. Le ruissèlement urbain
 L’imperméabilisation des sols qui soustrait à l’infiltration des surfaces de
plus en plus importantes, entraîne :
- une concentration rapide des eaux
pluviales
et
une
augmentation
des
pointes de débit aux exutoires, (1)
- des apports de pollution par temps
de pluie pouvant être très perturbant
pour les milieux aquatiques..(2)
II. Le ruissèlement urbain
 (1) Concentration rapide des eaux pluviales
 Les villes sont des bassins versants peu « tamponnés » qui répondent aux
pluies en transmettant rapidement et massivement l’eau vers des
exutoires, le régime des eaux se caractérise par:
• des forts volumes d’eau transférés, avec périodiquement, notamment
lors d’orage estivaux, des pics de débit marqués.
• Par temps de pluie, les aires imperméabilisées – routes, toits, parkings –
génèrent rapidement des écoulements,
• Un sol agricole stocke couramment plusieurs dizaines de millimètres de
pluie avant d’engendrer un écoulement, un parking, lui, ruisselle au bout
de quelques petits millimètres.
II. Le ruissèlement urbain
 (2) Les apports de pollution
 l’EPA (U.S. Environment Protection Agency) a démontré, en 1983, à
l’aide d’un programme de mesures appelé NURP (Nationwide Urban
Runoff Program), que le ruissellement urbain était une source importante
de pollution des cours d’eau, issue de différentes origines.
II. Le ruissèlement urbain
 (2) Les apports de pollution
 Les sources de pollution peuvent avoir:
-
un caractère temporaire (pollution en phase travaux),
-
Un caractère saisonnier (salage hivernal),
-
Un caractère accidentel (déversement de produits dangereux)
-
Un caractère chronique (émission des véhicules, usure des pneus).
1. Concentration rapide des eaux pluviales
 Le ruissèlement urbain devient un aléa en matière de risque
 Lors des précipitations intenses il y’a:
1)
-
Engorgement du système d'évacuation des eaux pluviales
-
Le risque encouru est alors d'autant plus élevé que l'aléa rencontre des
enjeux - personnes et biens susceptibles d'être affectés - présentant une
forte vulnérabilité.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
 La cause principale: Pluie intense;
 Les précipitations intenses s'observent dans des zones où l'atmosphère
1)
fortement instable est le siège de cellules convectives plus ou moins
nombreuses et plus ou moins organisées.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
 Les autres facteurs;:
 La quantité et la répartition dans le temps du ruissellement généré sur un
1)
bassin de drainage urbain sont fonction de plusieurs phénomènes dont
les importances relatives dépendent de la nature du bassin;
 La réponse hydrologique d’un bassin est aussi fonction de variables
physiographiques tels que:
1. Concentration rapide des eaux pluviales
 Variables physiographiques:
1)
 Dimensions du bassin versant:
- Un bassin faible superficie répond à l’écoulement plus vite qu’un bassin
versant de grande superficie;
1. Concentration rapide des eaux pluviales
 Variables physiographiques:
 Forme du bassin:
1)
- Un bassin allongé concentre les

Pente du bassin:
écoulement
plus à l’exutoire qu’un
étroit.de faible pente favorise un écoulement lent contrairement au
-bassin
Un bassin
bassin de pente raide accélère l’écoulement
1. Concentration rapide des eaux pluviales
 Variables physiographiques:
 Types de canalisation:
1)
- Une canalisation dense et de grande diamètre compense les écoulement
mieux qu’une canalisation étroite et moins dense.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
 Variables physiographiques:
 Types de sol et imperméabilité:
1)
-
Des sols à couvert végétal dense freine les écoulements
-
Des sols imperméables engendrent les inondations
1. Concentration rapide des eaux pluviales
 Conséquence:
 Une analyse détaillée du ruissellement résultant d’une pluie spécifique implique
donc la prise en compte d’un nombre important de calculs relativement
1)
complexes ; avant l’avènement des micro-ordinateurs puissants, le temps et
l’effort requis pour compléter de tels calculs étaient rarement justifiables et c’est
pourquoi l’utilisation de méthodes simplifiées basées sur des relations empiriques
s’est répandue.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
a. Particularité du ruissellement urbain:
 Pour tout système hydrologique, un bilan hydrique peut être défini pour tenir
1. a)
compte des différents chemins que peut emprunter l’eau et des composantes
Qe – Qs = dS/dt
pouvant emmagasiner cette eau. L’équation de continuité exprimée pour un
Cet équation est la base permettant d’effectuer des calculs pour le
tel système s’écrit :
dimensionnement des bassins de rétention.
 Qe – Qs = dS/dt
Qe: Débit entrant; Qs: Débits sortant, ds/dt: la variation du volume de stockage
durant la période de temps considérée
1. Concentration rapide des eaux pluviales
b. Les processus de ruissellement et d’écoulement des eaux pluviales:
 On peut également établir le bilan en tenant compte des pertes qui sont
1. b)
appliquées à la précipitation. L’écoulement généré par la précipitation
comprend trois composantes :
1) Le ruissellement de surface
2) L’écoulement hypodermique rapide
3) L’écoulement souterrain,
1. Concentration rapide des eaux pluviales
b. Les processus de ruissellement et d’écoulement des eaux pluviales:
 Historiquement,
En milieu urbain,
les composantes
avec beaucoup
d’écoulement
de surfaces
hypodermique
imperméabilisées,
et souterrain
les
1. b)
apports
n’ont
pas
auxété
écoulements
considérées
hypodermique
en hydrologie
et souterrain
urbaine, alors
serontqu’on
évidemment
s’est plus
réduits, alors
intéressé
au ruissellement
que la recharge
de surface
de la pour
nappe
la conception
sera plus accentuée
des réseaux.
dans le
cas d’une forêt sur un terrain de faible pente.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
b. Les processus de ruissellement et d’écoulement des eaux pluviales:
 Le bilan hydrique simplifié, tenant compte également de la composante
1. b)
pour les eaux souterraines, peut s’écrire (Novotny et Olem, 1994) :
P = Q + ET + ΔSsurface + ΔSsouterraine
 P: Précipitation;
ET: Evapotranspiration
 Q: ruissélement de surface; Δssurface: changement de stockage en surface
 Δssouterraine: changement de stockage souterrain
1. Concentration rapide des eaux pluviales
b. Les processus de ruissellement et d’écoulement des eaux pluviales:
Concept fondamental du ruissellement urbain;
 Elle illustre les différents paramètres en
 jeu
En règle
générale,
l’étuderessortir
des processus
de ruissellement en hydrologie
et fait
clairement
trois
urbaine s’appuie
sur le concept défini par Horton pour sa théorie de
composantes
:
1. b)
-
l’infiltration
les pertes initiales,
-
une fonction de perte par infiltration
qui varie dans le temps
-
la partie de pluie nette qui contribuera
directement au ruissellement.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
b. Concept fondamental du ruissellement urbain;
1. b)
 Les pertes initiales varient en fonction des
caractéristiques du bassin et incluent les
pertes engendrées par l’interception et les
dépressions de surface
1. Concentration rapide des eaux pluviales
b. Concept fondamental du ruissellement urbain;
 Les pertes par infiltration varient quant à
elles dans le temps et sont fonction entre
1. b)
autres des caractéristiques de la pluie
considérée, de la porosité et de la
perméabilité
du
sol,
des
conditions
antécédentes d’humidité du sol et de la
présence de végétation
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c. Paramètres du ruissellement;
 La
modélisation
dynamique
du
ruissellement
urbain
exige
la
connaissance des paramètres du ruissellement qui le régissent;
1. c)
 Mis à part de la superficie du bassin, deux paramètres devront être
évalués, parmi d’autres, pour l’application des modèles hydrologiques:
-
le coefficient de ruissellement « C »
-
temps de concentration « tc ».
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c. Paramètres du ruissellement;
 On peut caractériser d’autres paramètres tels que:
 volume de ruissellement qui est le produit de la hauteur de ruissellement
1. c)
par la surface auquel on applique un facteur d’unité:
Où
- Vr = volume de ruissellement (m3)
- Hru = hauteur de ruissellement (mm)
- A = superficie du bassin versant (ha)
La hauteur de ruissellement peut être déterminée par plusieurs méthodes ici présentées.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.1. Coefficient de ruissellement:
 Le coefficient de ruissellement est un facteur qui quantifie la quantité
d’eau ruisselée dans bassin à surface déterminé;
1. c)
 A première approximation, Sa valeur demeure constante pour une
surface donnée;
 la nature de la surface, la pente, le stockage possible en surface, le
degré de saturation et l’intensité de pluie.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.1. Coefficient de ruissellement;
 En réalité, ce n’est pas le cas puisque le coefficient représente l’effet
intégré de plusieurs facteurs dont les plus importants sont:
1. c)
Nature de
surface
Pente
Stockage
possible
en
surface
Degré de
saturation
Intensité
de pluie
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.1. Coefficient de ruissellement;
 L’approche la plus commune
1. c)
pour le choix du coefficient est
d’associer
coefficient
simplement
à
un
type
le
de
surface. Le tableau II.1 fournit
un exemple.
Tableau II.1 Coefficients de ruissellement typiques en
fonction du pourcentage imperméable et de la période de retour
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.1. Coefficient de ruissellement;
 Pour des bassins avec des
occupations du sol variées, on
peut
1. c)
soit
différents
combiner
les
coefficients
de
chaque type de surface en
tenant
compte
pourcentage
chaque
type,
directement
du
occupé
soit
les
par
utiliser
valeurs
présentées au tableauII.2.
Tableau II.2.Gamme usuelle de valeurs pour le coefficient de ruissellement
en fonction du type d’occupation du sol (adapté de ASCE/WEF, 1992).
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.1. Coefficient de ruissellement;
 Les tableaux II.3 et II.4 réunissent quant à eux des valeurs proposées pour des
bassins non développés ou à caractère rural.
1. c)
Tableau II.3. Coefficients de ruissellement typiques pour des
secteurs ruraux (ARTC, 1982).
Tableau II.4. Coefficients de ruissellement – Zone rurale (MTQ, 1995).
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.1. Coefficient de ruissellement;
 Une autre approche est d’utiliser l’équation suivante qui relie directement le
1. c)
coefficient au pourcentage d’imperméabilité (MOE, 1987) :
 C = 0,2 (1-Imp) + 0,9 Imp
où Imp est simplement le pourcentage de surface imperméable exprimé en
chiffre absolu.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.1. Coefficient de ruissellement;
 Une autre méthode qui a été proposée par Bernard (1935) suppose que le
ruissellement est proportionnel à la précipitation. Cette méthode est celle
1. c)
utilisée traditionnellement au Québec :
 𝐇𝐫𝐮=𝐂∗𝐏𝐩𝐭
Où
- Hru = hauteur ou lame de ruissellement (mm)
- C = coefficient de ruissellement
- P = hauteur de pluie (mm)
1. Concentration rapide des eaux pluviales
Paramètres du ruissellement;
 Cette méthode, appelée aussi
méthode
des
coefficients
de
ruissellement, est surtout utilisée
1. c)
avec
la
méthode
rationnelle
d’estimation du débit de pointe.
 Le tableau 1 montre les différents
coefficients de ruissellement selon
le
type
de
végétation,
topographie et la texture du sol.
la
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.2. Temps de concentration tc:
 Le temps de concentration est le temps requis par le ruissellement pour
se déplacer du point hydrauliquement le plus éloigné du bassin versant
c2)
jusqu’à l’exutoire de celui-ci.
 Ce point est le départ du plus long temps de parcours jusqu’à l’exutoire,
et ne correspond pas nécessairement à la plus longue distance du
parcours de l’eau (NRCS, 2010).
 Ce paramètre est utilisé dans la plupart des méthodes de détermination
des débits de pointe.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.2. Temps de concentration tc:
 Le temps de concentration est aussi la somme de deux temps de transport.
-
Le premier temps est le temps initial pour le ruissellement avant d’être
canalisé, soit dans un caniveau, un fossé ou un réseau d’égout.
c2)
-
Le deuxième est le temps de transport dans la canalisation.
-
On a donc :
-
tc = ti + tt
où tc = temps de concentration (min); ti = temps initial d’entrée (min)
tt = temps de transport (min)
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.2. Temps de concentration tc:
 Il existe plusieurs méthodes empiriques permettant de calculer le temps
de concentration, on peut calculer le temps de concentration suivant
deux composantes différentes:
c2)
-
écoulement en nappe – sheet flow (en surface);
-
écoulement canalisé.
-
Les deux ensemble,
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.2. Temps de concentration tc:
 Pour la première composante, soit un écoulement en surface, on peut
utiliser l’équation suivante qui a été développée pour les calculs de
c2)
drainage des aéroports (ARTC, 1982) :
où ti est le temps d’entrée en min, C est le coefficient de ruissellement, L est la
distance de drainage en mètres et S est la pente de la surface drainée, en %.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.2. Temps de concentration tc:
 Pour la première composante, soit un écoulement en nappe, on peut
utiliser l’équation de Kerby pour évaluer le temps d’écoulement en
c2)
nappe, l’équation est la suivante :
Où: ti est le temps d’entrée en minutes,
L est la longueur d’écoulement en m,
r est un coefficient de rugosité dépendant de la surface, donné au tableau
6.25,
So est la pente du bassin (en m/m).
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.2. Temps de concentration tc:
 L’équation de Kerby est basée sur des mesures faites sur des surfaces de
c2)
drainage d’aéroport faites par Hathaway (1945) et elle s’applique à des
bassins de superficie inférieure à 4 ha de pentes de l’ordre de 1%.
 Il est par ailleurs recommandé que la longueur maximale d’écoulement
en surface soit inférieure à 365 m.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.2. Temps de concentration tc:
 Pour la deuxième composante, soit un écoulement canalisé, on peut
utiliser l’équation de Bransby-Williams :
c2)
où tc est le temps de concentration en minutes, Lc la longueur du cours d’eau (m),
Sc est la pente 85-10 du cours d’eau (%) (la pente 85-10 est la pente calculée en
enlevant à la longueur 10 % à l’aval et 15 % en amont – voir MTQ (1995));
Ab est la superficie du bassin versant.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.2. Temps de concentration tc:
 Pour la deuxième composante, soit un écoulement canalisé, on peut
utiliser l’équation de Manning :
c2)
 V = K . RH2/3 . i1/2
où : V: vitesse débitante en m/s
K: coefficient de rugosité de manning Strickler,
RH: rayon hydraulique de l’écoulement en m,
i: pente de l’écoulement (ou du rayon hydraulique),
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.2. Temps de concentration tc:
c2)
 Les hydrologues Nord américaine est connue par l’utilisation fréquente
des méthodes de calcul de concentration tc suivantes : Kirpich,
Mockus, SCS-lag et Bransby-Williams.
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.2. Temps de concentration tc:
 Méthode de Kirpich:
 Cette méthode est adaptée aux bassins versants dont la superficie varie
c2)
entre 0,4 et 81 ha, composés de sols argileux et avec une pente
moyenne comprise entre 3 et 10 % (Kirpich, 1940). Le temps de
concentration est calculé à partir de l’équation suivante :
- 𝑡𝑐 = temps de concentration (h)
- L = longueur maximale du parcours de l’eau dans le bassin versant (m)
- S = pente moyenne de l’écoulement (m/m)
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.2. Temps de concentration tc:
 Méthode de Mockus:
 Cette méthode publiée par Mockus (1961) est adaptée aux bassins
versants de superficies variant entre 4 et 1000 ha et qui sont caractérisés
1. b)
par une pente longitudinale moyenne inférieure à 1 % et par des sols
limoneux ou argileux. Cette méthode intègre le numéro de courbe (CN)
et l’équation s’écrit :
-Oú:
𝑡𝑐 = temps de concentration (h)
L = longueur maximale du parcours de l’eau dans le bassin versant (m)
S = pente moyenne de l’écoulement (m/m)
CN = numéro de courbe moyen
1. Concentration rapide des eaux pluviales
c.2. Temps de concentration tc:
 Méthode de SCS-lag:
 Le Soil Conservation Service (SCS) du département d’agriculture des
États-Unis (United State Department of Agriculture - USDA) (SCS, 1972) a
1. b)
proposé une méthode pour l’estimation du temps de concentration
basée sur les travaux de Mockus et sur l’analyse d’un grand nombre
d’hydrogrammes :
-Oú:
𝑡𝑐 = temps de concentration (h)
L = longueur maximale du parcours de l’eau dans le bassin versant (m)
S = pente moyenne de l’écoulement (m/m)
CN = numéro de courbe moyen