EFFETS ANTHROPIQUES SUR L`EQUILIBHE DES COURS D`EAU
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1. ETAT DE REFERENCE CALAGE HYDRAULIQUE CALAGE DES APPORTS SOLIDES QUANTIFICATION DES APPORTS SOLIDES SIMULATION DU CYCLE HYDROLOGIQUE ACTUEL ETABLISSEMENT DE L ETAT DE REFERENCE ODELISATION DU CYCLE HYDROLOGIQUE MODIFIE j CONSEQUENCES SUR LES OUVRAGES HYDRAULIQUES SYNTHESE Fig 1 Sch ma de l approche m thodologique Fig 1 Methodological approach scheme Lorsque le cours d eau se trouve en tat d quilibre initial la situation observ e constitue un tat de r f rence pour le calage du mod le hydraulique Un premier calage effectu par une mod lisation fond fixe sans apports solides permet de d terminer la rugosit du lit partir de lignes d eau observ es L hypoth se du lit fixe se justifie ici par le fait qu il ne varie pas de mani re significative au cours du temps Un deuxi me calage avec lit mobile est destin quantifier la relation existant entre les d bits liquides et solides Il doit v rifier que la rivi re conserve un tat d quilibre sur un cycle hydrologique pluriannuel L apport solide introduit comme condition limite l entr e du tron on consid r repr sente la contribution du bassin versant amont Le mod le hydraulique ainsi cal permet de simuler le cycle hydrologique modifi et d valuer ses effets par rapport l tat de r f rence 225 L approche est diff rente lorsque le cours d eau est en phase volutive2. l aide d un mod le statistique OVERNEY et al 1996 La transformation des pluies en s ries de d bits a ensuite t r alis e l aide de la fonction de production du mod le hydrologique d terministe GR3 BEROD 1988 Les r sultats obtenus montrent que le r gime hydrologique annuel n est pas significativement modifi par le 228 changement climatique propos Dans l optique d une tude de sensibilit 4 sc narios pr sentant une m me tendance ont t consid r s lls se caract risent par des courbes de d bits class s sup rieures celle de la situation actuelle dans la gamme des forts d bits Les courbes des d bits class s correspondant ces 4 sc narios sont repr sent es la figure 3 180 160 z situation actuelle L S sc nario 8 2 8 sc nario 14 sc nario 18 S sc nario 30 d bit m3s 1 o 8 20 o a o 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 dur e h Fig 3 Courbes des d bits class s Payerne pour 4 sc narios hydrologiques pr sentant un accroissement de dur e dans la gamme des forts d bits Fig 3 Flood frequency at Payerne for 4 hydrologic conditions presenting an increase of the duration of flood discharge A partir de l tat de r f rence les 4 sc narios de changements hydrologiques s lectionn s
3. s Mod lisation hydraulique Le calcul hydraulique et du transport solide est effectu l aide du mod le SEDRIV ZECH amp HARTZELL 1994 Ce mod le num rique filaire permet la simulation continue de l coulement d un m lange eau s diments sur fond mobile en r gime non stationnaire Les quations du bilan de masse et de la quantit de mouvement du m lange sont coupl es dans leur r solution par le sch ma de diff rences finies lin aire implicite de PREISSMANN L effet de la rugosit variable est pris en compte et un ventail de formules de transport solide est disponible dans le mod le autorisant son utilisation sur une large gamme de conditions naturelles pour les coulements en rivi re Ce programme a t d velopp au Laboratoire de recherches hydrauliques de l EPFL sous l appellation FCM CORREIA 1994 Apr s une phase de validation BOILLAT amp DIVET 1992 il a t am lior en 1993 94 ZECH 1994 sous le nom de SEDRIV 4 Application L approche d crite ci dessus a t appliqu e un cours d eau fictif dont les caract ristiques hydrologiques et morphologiques sont caract ristiques d une rivi re du plateau Suisse l exemple de la Broye entre Payerne et le lac de Morat Etat de r f rence Pour d terminer l influence de modifications hydrologiques sur la stabilit du lit il est n cessaire de d finir pr alablement un tat de r f rence Celui ci a t obtenu en simulant une longu
4. s ries de d bits journaliers en s ries pas de temps plus fin Les s ries pluviom triques de longue dur e sont g n ralement disponibles sous forme de valeurs moyennes journali res Les d bits calcul s par simulation partir de ces donn es ont par cons quent le m me pas de temps Ce dernier est g n ralement insuffisant lorsqu il s agit d examiner les probl mes d rosion ou d inondation Il s agit d s lors de reconstituer une structure plus fine d volution des crues La transformation recherch e poursuit un double objectif d une part de repr senter les pointes d hydrogrammes auxquelles le transport solide est troitement li d autre part de satisfaire les crit res de stabilit num rique impos s par la simulation hydraulique en r gime transitoire 226 L approche propos e par DESAGREG ESSYAD 1995 est bas e sur le principe du l hydrogramme unitaire La forme analytique de ce dernier est constitu e de la superposition de deux fonctions sinuso dales de puissance 4 La premi re de p riode 3 jours et d amplitude proportionnelle au d bit journalier reproduit de mani re continue les r actions lentes du bassin versant La seconde destin e reproduire les pointes de crues a une p riode de 1 jour et une amplitude proportionnelle la moyenne des diff rences avec les d bits journaliers pr c dent et suivant Le coefficient de proportionnalit est obtenu par calage sur une s rie d v nements observ
5. simulation continue le GR3 IATE EPF Lausanne 1988 Boillat J L Divet E Lutte contre les inondations Le Doubs St Ursanne Interpraevent Berne 1992 Bouvard M Barrages mobiles et ouvrages de d rivation Eyrolles Paris 1984 Correia L R P Numerical modeling of unsteady flow over a mobile boundary Th se n 993 EPF Lausanne 1994 Essyad K DESAGREG mode d emploi LCH EPFL 1995 Jaeggi M Sedimenthaushalt und Stabilit t von Flussbauten VAW Mitteilung 119 ETH Z rich 1992 Larras J Hydraulique et granulats Eyrolles Paris 1972 Overney O Consuegra D Favre A C Lazaro Ph Boillat J L Impact des changements climatiques sur le r gime hydrologique des bassins versants et sur le comportement hydraulique des cours d eau PNR31 changements climatiques et catastrophes naturelles 1 996 231 Sinniger R O Hager W H Constructions hydrauliques TGC15 EPF Lausanne 1989 Vanoni A Sedimentation engineering ASCE Manuals and reports on engineering practice N 54 ASCE 1975 Zech Y Hartzell U SEDRIV r sum th orique et mode d emploi LCH EPF Lausanne 1994 Dr Jean Louis Boillat et Philippe Lazaro Laboratoire de constructions hydrauliques D partement de g nie civil Ecole polytechnique f d rale de Lausanne 1015 Lausanne 232
6. Dans ce cas le calage hydraulique fond fixe reste valable pour la d termination du coefficient de rugosit Il repose sur l hypoth se que le lit ne varie pas de mani re significative sur le court terme La quantification des apports solides est obtenue en faisant r f rence un tat d quilibre local ou ant c dent Cela implique l identification d un tron on stable ou la possession d informations historiques pr cises sur une situation d quilibre ant rieur L tape suivante consiste d finir l tat de r f rence global du cours d eau Celui ci est obtenu par simulation du cycle hydrologique actuel jusqu obtention de l tat d quilibre A partir de cet tat de r f rence la simulation du cycle hydrologique modifi permettra d valuer les effets induits sur le lit initial 3 Mod lisation Mod lisation hydrologique Cette mod lisation s effectue en deux tapes La premi re traite de la modification du cycle hydrologique sous l influence de changements d origine anthropique et ou climatique Cette tape repose sur la g n ration de sc narios pr visionnels L volution consid r e peut concerner directement la pluviom trie et ou l occupation du sol La transformation pluie d bit est obtenue l aide d un mod le hydrologique d terministe de simulation continue GR3 BEROD 1988 Cette premi re tape n est pas d velopp e dans le pr sent article La deuxi me tape traite de la d sagr gation des
7. Internationales Symposion INTERPRAEVENT 1996 GARMISCH PARTENKIRCHEN Tagungspublikation Band 2 Seite 223 232 EFFETS ANTHROPIQUES SUR L EQUILIBRE DES COURS D EAU ANTHROPICS EFFECTS ON THE EQUILIBRIUM OF RIVERS Dr J L BOILLAT Ph LAZARO R sum Toute modification du r gime hydrologique r sultant de changements d origine anthropique et ou climatique a une incidence directe sur l quilibre des cours d eau naturels et par cons quent sur les ouvrages qui y sont implant s La d marche habituelle de dimensionnement de ces ouvrages tels que prises d eau ponts bas e sur une mod lisation stationnaire g om trie fixe n est d s lors plus applicable Une nouvelle approche bas e sur la mod lisation transitoire fond mobile doit tre consid r e pour valuer l impact du changement hydrologique Le pr sent article propose un concept d analyse et de r solution adapt cette probl matique Son application une hypoth se de changement climatique permet de montrer les cons quences qui en r sultent sur la tendance volutive d un cours d eau Abstract Every modification of the hydrologic conditions as a result of anthropic effects and or climate changes has a direct effect on the equilibrium of natural rivers and consequently on the related civil works The usual dimensioning approach for such structures as water intakes bridges etc based on a stationary modelling with fixed geometry can therefore no
8. dification sensible du r gime hydrologique a des cons quences directes sur la stabilit du cours d eau Les r sultats de simulations num riques montrent dans ce cas une tendance l affouillement court et moyen termes Ce ph nom ne d rosion repr sente une menace pour la stabilit des berges et des ouvrages implant s dans les cours d eau Il convient de citer en particulier les ponts dont les fondations sont expos es et les prises d eau tributaires du niveau d coulement 230 D autres sc narios peuvent d boucher sur un processus d alluvionnement avec comme cons quences une r duction de capacit du cours d eau et une augmentation de la fr quence des d bordements Bien que la mod lisation hydrologique n ait pas permis jusqu ici de conclure a une tendance d volution significative il appara t que tout changement du r gime hydrologique se r percute court terme sur l quilibre des cours d eau La m thodologie et les outils de calcul pr sent s ici permettent de d crire cette volution Remerciements L approche th orique d crite dans le pr sent article t d velopp e dans le cadre d une tude financ e par le Fonds national pour la recherche scientifique PNR31 n 21 36391 92 changements climatiques et catastrophes naturelles R f rences Beniston M et al Establishment of climatological scenarios for the alpine regions EPOCH FUTURALP 1992 B rod D Etude d un mod le de
9. dologique La d marche propos e ici a pour but d valuer l effet de modifications hydrologiques sur l quilibre hydraulique des cours d eau Elle permet de pr voir et de quantifier l volution morphologique du lit ainsi que ses cons quences sur la ligne d eau sur la fr quence des d bordements et en corollaire sur le fonctionnement et la p rennit des ouvrages concern s prises d eau ponceaux ponts bassins de r tention dont la conception repose sur l hypoth se d un lit stable SINNIGER amp HAGER 1989 L approche m thodologique sch matis e la figure 1 diff re selon que le cours d eau se trouve ou non en tat d quilibre initial Celui ci correspond par d finition un bilan de masse o la quantit des s diments entra n s est gale celle des s diments apport s JAEGGI 1992 VANONI 1975 LARRAS 1972 et BOUVARD 1984 Ce concept d quilibre fait intervenir d une part la nature des s diments constituant le lit et la disponibilit des mat riaux d apport d autre part la capacit de transport de l coulement Les corrections de rivi res reposent traditionnellement sur une interpr tation rationnelle de toutes ces caract ristiques auxquelles il convient d ajouter d s lors celle de l volution pressentie du comportement hydrologique 224 ANALYSE ET COLLECTE DES DONNEES DE BASE DESCRIPTION D DEPOTS ET EROSIONS m ti EQUILIBRE CALAGE HYDRAULIQUE A FOND FIXE
10. e p riode hydrologique dans le cours d eau initial jusqu obtenir un lit stable La quantification des apports solides relation Qs 227 Q est bas e sur une formule de transport solide SCHOKLITSCH appliqu e une section o l quilibre est admis La s rie hydrologique utilis e a t g n r e par le mod le GR3 partir des pluies mesur es la station de Payerne puis d sagr g e pas de temps de 30 minutes l aide du programme DESAGREG i L tat d quilibre calcul par SEDRIV apr s simulation de 60 ann es hydro logiques est illustr la figure 2 442 440 lit initial iit l quilibre ligne d eau Q 15 m3s 1 altitude msm a niveau du lac 428 00 msm 430 428 426 T T T 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 distance m Fig 2 Cours d eau fictif de la Basse Broye tat d quilibre atteint apr s simulation d une s rie hydrologique de 60 ann es Fig 2 Imaginary river of the Basse Broye equilibrium state reached after a 60 year hydrologic simulation period Etat modifi La modification du cycle hydrologique examin e ici repose sur une interpr tation de l hypoth se de BENISTON 1992 proposant une augmentation de 10 du volume des pluies en hiver et une diminution quivalente en t Une grande vari t de s ries pluviom triques compatibles avec cette hypoth se de travail a t g n r e
11. longer be used new approach to the problem based on transient modelling has to be considered to quantify the impact of the foreseen hydrologic change The present article proposes an analysis and resolution method adapted to this problem Its application to a climate change assumption allows one to show the resulting evolution tendency of a natural river 223 1 Introduction Toute modification du r gime hydrologique r sultant de changements climatiques d une part et de changements d occupation du sol d autre part a une incidence directe sur la structure des crues Ce processus de r action en cha ne se prolonge ensuite sur l quilibre des cours d eau naturels par des actions d rosion ou d alluvionnement Ces effets peuvent tre associ s des v nements particuliers crues des comportements saisonniers fluctuations cycliques ou une tendance plus long terme tendance Dans ce processus volutif la m thode habituelle de dimensionnement des ouvrages li s l coulement bas e sur une mod lisation stationnaire n est plus applicable La simulation continue en r gime transitoire doit alors tre consid r e pour quantifier l impact des modifications pressenties Cette approche prospective permet galement de valider les actions pr ventives susceptibles de maintenir l tat d quilibre des lits naturels et d assurer la s curit des constructions riveraines ou traversantes 2 Approche m tho
12. ont t simul s par SEDRIV Les r sultats de la simulation obtenus avec les 4 sc narios pr sentent une m me tendance l rosion bien marqu e sur toute la longueur du tron on d tude L exemple du sc nario 8 est illustr la figure 4 en comparaison de l tat de r f rence Un tat de pseudo quilibre est atteint apr s une p riode de 5 ans environ Le lit volue ensuite autour d une position moyenne dont l cart type calcul sur 20 ans est repr sent graphiquement sur l exemple de la figure 4 229 20 Lui moyenne moyenne 1 cart type variation du lit cm moyenne 1 cart type 40 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 distance m Fig 4 Cours d eau fictif de la Basse Broye volution du lit sur 25 ans cons cutive au sc nario 8 Fig 4 Imaginary river of Basse Broye evolution of the river bed after a 25 year simulation with the scenario 8 5 Conclusions En r gime hydrologique stable un cours d eau naturel tend long terme vers un tat d quilibre Une modification de ce r gime sous l effet de changements anthropiques et ou climatiques conduit l volution du lit vers un nouvel tat d quilibre Les sc narios climatiques examin s ici pour un cas fictif inspir de la Basse Broye ont t s lectionn s parmi ceux pr sentant un accroissement de dur e dans la gamme des forts d bits Cette mo
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