Post doctorant, CEREVE-ENPC Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain Application sur un bassin versant du département 94 (Val de Marne) Eddy EL TABACH Post doctorant, CEREVE-ENPC Problématique et but du travail. Description du modèle développé. Résultats de son application sur un sous bassin de Villecresnes-Département 94. Conclusions et perspectives de l’étude. 1 11 Juin 2009

Changement climatique Problématique Pluie Urbanisation & Changement climatique Evapotranspiration Insuffisance réseau existant: Inondations? Constitue une menace de diminution du stock d’E.P souterraines? Ruissellement Exutoire Débordement ↑des surfaces imperméables limitent très fortement les possibilités d’infiltration de l’eau dans le sol ce qui entraînent une ↑ de volume d’eaux ruisselées. Zone non saturée Ecoulements souterrains Zone saturée Mettre en danger la vie des êtres vivants. Peut causer des dommages et pertes financières Zone urbaine 2 2 Rivière

Objectif 3 Projet Européen ERA-Net CRUE Projet régional de recherche et de développement durable (R2D2-SYSTEO) Développer un outil de modélisation numérique spatio-temporel Prévoir les zones inondées. Etudier l’évolution de la nappe. Etudier la capacité du réseau séparatif d’eau pluvial. pour différents scénarios d’aménagements (changement climatique, occupation du sol, …). Evaluer la performance des solutions alternatives “SUDS”. 3 3

Constat de départ Modèles numériques Rural/Urbain: Milieu rural Watershed Modelling System (WMS)-(commercial). Two dimensional Runoff Erosion and eXport Model (TREX). Mike SHE (commercial). Milieu rural Modèle distribué Avantage: Calcul d’hydrologie de surface et de sub-surface. Inconvénients: Pas de calculs hydrauliques (pas de présence de tuyaux). Storm Water Management Model (SWMM), CANOE (commercial). Milieu urbain Modèle non distribué Avantage: Calculs hydrauliques (présence de tuyaux). Inconvénients: Découplage / couplage faible des processus de surface et de sub-surface, Pas de prise en compte de la nappe ni de l’hétérogénéité du sol, 4

Mon modèle « Multi-Hydro » (Péri-urbain) Modèle distribué à base physique sous Matlab. Modélisation (quantifier) des processus de ruissellement dans un milieu péri-urbain en tenant compte de l’infiltration de l’eau dans les différentes couches du sol non saturé et la quantité de l’eau entrant dans le réseau des eaux pluviales (à partir des avaloirs) suite à un événement pluvieux. Pluie spatiale et temporelle Réunion des avantages de 3 logiciels publiques (TREX, VS2DT et SWMM) sous « Matlab ». z y x Représentation de l’élévation des grilles. Ruissellement Schéma d’un modèle conceptuel pour les surfaces péri-urbaines dans une cellule de grille et leur raccordement au réseau d’eau pluviale. Infiltration Rural Avaloir Sol Direction de l’eau dans le tuyau Réseau (tuyau) connectant tous les avaloirs dans la zone d’étude. Urbain 5 Exutoire (amont)

Description du modèle « Multi-Hydro » Méthodologie et hypothèse de calcul: Rural Péri-urbain Pluie spatiale et temporelle TREX Sol 1 Sol n Sol saturé Subsurface Pixel VS2DT Représentation topographique des écoulements de surfaces et dans les rivières (Jullien, 2002). Pour avoir un bon échange entre la surface et le subsurface, on a attribué à chaque pixel, en utilisant le modèle VS2DT les différentes couches de sol et nappe. 6

Description du modèle « Multi-Hydro » Two dimensional Runoff Erosion and eXport Model (TREX). Modèle distribué spatial (cycle de l’eau) VS2DT (Healy, 1990) (Infiltration d’un liquide dans un milieu poreux à saturation d’eau variable). Loi de conservation de masse et une forme non-linéaire de la loi de Darcy. Différence finies Equation de conservation de masses (Julien, 2002): In : précipitation nette. 1- Calcul des recharges des eaux dans les différentes couches de sols. 2- Suivi de l'évolution de la nappe. h : Hauteur d’eau [L]. f: coefficient d’infiltration Equation de Saint Venant. 7 7

Description du modèle « Multi-Hydro » Maille à « Avaloir » Avaloir Pluie Qi(t) z x Qy(t) y Qx(t) Ruissellement Sol imaginaire Kaval: Perméabilité. Θ: Porosité. Infiltration Qo(t) Soil Qi(t) = f (Kaval, θ, Qx(t), Qy(t)) Kaval =↑ et θ ↑ → Avaloir en fonctionnement. Qi(t) = Qo(t) = Qx(t)+Qy(t) Exutoire (amont) Afin de tenir compte de la quantité de l’eau Q(t) qui rentre dans le réseau des eaux pluviales à partir des avaloirs, on a remplacé le sol existant dans chaque maille contenant un avaloir par un sol à très forte perméabilité et de porosité. 8

Description du modèle « Multi-Hydro » Q1(t) Q2(t) Légende Résolution de l’équation de l’écoulement de Saint Venant en utilisant la partie hydraulique du logiciel SWMM (USEPA, 2007) Q3(t) Avaloirs Q4(t) Tuyau Q5(t) Q6(t) Exutoire du tuyau Q8(t) Q7(t) 1) Évolution de la hauteur d’eau dans les tuyaux. 2) Capacité du tuyau à capter l’eau ruisselé. Plan d’un réseau d’assainissement Q15(t) Q16(t) Q17(t) 9

Application Application au sous bassin de Villecresnes (département 94) Département de Val de Marne, France. Aire=712300m2. Contour du bassin de Villecresnes Ville de Villecresnes. Bassin étudié du Villecresnes. 1010 Vue aérienne de la zone d’étude.

Application Parmi les données (DSEA94) nécessaire pour le modèle numérique Traitement, analyse et préparation des données sous le logiciel ArcGIS. Serre agriculture Classe d’occupation du sol Forêt Route verdure Maison Piscine Tennis Avaloirs 8 classes Elévation (m) High : 111.5 Low : 54.07 Carte de distribution spatiale de l’altitude [m]. Carte de distribution spatiale du mode d’occupation du sol. 1111

Application Résultats: Distribution spatiale de la hauteur d’eau à la surface du sol pour différents temps de calculs t = 4,65 heures (pluie termine après 4,65 heures). t = 5 heures. t = 1 heure. Zone inondée. Lame d’eau (m) 1212

Application Résultats tuyau 31-32 Plan du réseau d’eau pluvial Capacité 40% Avaloir Temps (Heures) Evolution de la capacité du réseau d’eau pluvial existant Aval 1313

Application 1414 2m Profondeur(m) 3m Profondeur(m) Saturation en eau Coordonnées maille X = 613 280.140 Y = 113 887.902 Surface du sol Profondeur(m) Limons Craie Craie saturée 2m 3m Typologie du sol Saturation en eau Profondeur(m) Variation de la saturation en eau dans le profil du sol à une position fixe. 1414

Application Étude de l’impact du changement du mode d’occupation du sol sur les processus de ruissellement dans le sous bassin de Villecresnes. Fôret Urbain Route verdure Maison Piscine Terrain de tennis Serre agriculture Avaloirs Future distribution spatiale du mode d’occupation du sol 1515

Application Parmi les résultats: Changement de MOS. 1616 Distribution spatiale de la hauteur d’eau à la surface du sol pour différents temps de calculs t=3 heures t=4,65 heures t=5 heures 1616

Application Étude de l’influence du changement d’occupation du sol Normal Scénario Capacité Temps (Heures) Avaloir. Le tuyau est encore capable de capter l’augmentation de l’eau (15%) générée par ce nouveau mode d’occupation du sol. 1717

Recherche (Post doc) Conclusion Perspective 1818 Un modèle numérique distribué à base physique qui permet de modéliser les processus du ruissellement dans un milieu péri-urbain. Cette étude nous a permis de mieux comprendre la réponse hydrologique du sous bassin de Villecresnes sous des condition météorologique sévères et des différents scénarios du mode d’occupation du sol. Ce modèle peut donner des informations utiles pour déterminer les endroits exacts des inondations et de débordements du réseau. Perspective Validation du modèle numérique par des mesures expérimentales (Stage en cours avec Omar Mahmood). Simuler la pluie spatiale. 1818

Merci pour votre attention Collogue CNFSH Eddy EL TABACH 19 11 Juin 2009