Soutenance mémoire
Projet de l’Etude Générale du Système d’Assainissement de l’Agglomération de Caen La Mer
La Communauté d’Agglomération de Caen la Mer (CACLM) compte 29 communes représentant environ 220 000 habitants répartis sur un territoire de 18 431 hectares. En pleine phase de création, la CACLM a pris en charge de nouvelles compétences dont celle de l’assainissement. Dans un objectif de gestion optimisée de la compétence assainissement et d’une maîtrise complète du service public, Caen la Mer a décidé de réaliser une étude générale du système d’assainissement de son territoire.
Le patrimoine géré et maintenu par l’agglomération est actuellement d’environ 810 km d’égouts, d’une centaine de stations de relèvement d’eaux usées et de 2 stations d’épuration.
Contexte réglementaire du projet
L’appareil législatif et réglementaire résultant de la directive européenne du 21 mai 1991, puis de la loi sur l’eau du 3 janvier 1992 et enfin de la directive-cadre européenne du 23 octobre 2000, a permis de reformuler le débat sur la compétence et le rôle des communes et groupement des communes en matière d’assainissement ainsi que sur les enjeux environnementaux liés à la préservation de la qualité des eaux et des milieux aquatiques.
La directive européenne du 21 mai 1991 obligeait les communes à avoir une approche de l’assainissement par agglomération et non par commune. Elle stipule l’obligation d’une collecte et d’un traitement des eaux usées efficaces.
La loi sur l’Eau du 3 janvier 1992 impose désormais aux communes et à leurs groupement un certain nombre d’obligations, à savoir :
délimiter, après enquête publique, les zones d’assainissement collectif et non collectif ;
en cas de besoin, délimiter les zones où des mesures doivent être prises pour limiter l’imperméabilisation des sols afin d’assurer la maîtrise du débit des eaux pluviales à l’aval des réseaux ;
Avant de programmer et de réaliser des travaux d’assainissement, les communes ou leurs groupements doivent établir un diagnostic de fonctionnement des dispositifs d’assainissement existants, déterminer l’efficacité des ouvrages en matière de collecte et de traitement et prévoir leur évolution en réalisant un schéma directeur d’assainissement.
La directive cadre européenne du 23 octobre 2000 est appelée à jouer un rôle stratégique en matière de politique de l’eau. Elle vise à établir un cadre pour la protection des eaux intérieures de surface, des eaux de transition, des eaux côtières et des eaux souterraines.
Elle apporte des innovations importantes par rapport aux principes de gestion de l’eau définis en droit français par la loi sur l’eau de 1992, dont on peut citer :
L’objectif de bon état des eaux devient la règle, les reports éventuels des délais de réalisation et, le cas échéant, la définition d’objectifs moins stricts devant être justifiés ;
Les programmes de surveillance de la qualité des eaux devront répondre à des exigences précises, tant pour la définition des sites que pour les analyses et leur fréquence. La directive demande notamment de densifier la surveillance là où les objectifs n’apparaissent pas pouvoir être atteints,ceci afin de mieux identifier les responsabilité et les actions à engager.
La directive précise qu’il est nécessaire d’adopter des mesures scientifiques contre la pollution de l’eau par certains polluants ou groupe de polluants, dits substances prioritaires , présentant un risque significatif pour ou via l’environnement aquatique, notamment des risques auxquels sont exposées les eaux utilisées pour le captage d’eau potable.
Ainsi, s’impose la nécessité de prendre en compte les rejets intermittents de temps de pluie des systèmes d’assainissement eaux usées et eaux pluviales.
L’assainissement des eaux usées et eaux pluviales est donc devenu l’un des chantiers majeurs pour les collectivités locales. Il constitue un élément indispensable au maintien , voire à la reconquête de la qualité des milieux naturels.
Objectif du projet
Dans un objectif d’assurer un exercice optimisé de sa compétence assainissement tant du point de vue de l’exploitation que de l’investissement, la CACLM a décidé de réaliser une étude générale su système d’assainissement eaux usées et eaux pluviales sur son territoire.
Cette étude générale fait suite à l’étude du schéma général de traitement réalisée en 2003-2004.
Méthodologie développée et outils du travail
Méthodologie
Dans le but de réaliser l’objectif de ce travail cité auparavant, une méthodologie de travail à été développée. Elle se caractérise par la répartition du processus global du travail en cinq phases principales présentées ci-dessous.
Phase 1 : Analyse des données disponibles
Cette phase consiste à faire un état des lieux des données disponibles dès le démarrage de l’étude. Les données sont archivées avec le logiciel SIG cart@jour, développé par le bureau G2C environnement. Cette étape permettra de remarquer toutes les anomalies et les insuffisances des données nécessaires à l’application de la méthode de délimitation.
Une fiche des anomalies sera établie et remise au bureau G2C environnement pour information et prise des mesures adéquates. Les données disponibles seront ensuite transférées vers le logiciel SIG MapInfo pour l’opération de pré-traitement.
Phase 2 : Pré traitement des données
Elle consiste à traiter les différentes couches de données, une par une, afin qu’elles soient compatibles avec le programme de délimitation. Cette phase est la plus fastidieuse et consommatrice de temps.
Phase 3 : Prise en main de l’outil de délimitation
Il s’agit de découvrir l’ensemble des travaux déjà réalisés sur le sujet, et notamment la thèse de Rodriguez (1999) pour comprendre la méthodologie utilisée pour la délimitation des bassins versants.
Phase 4 : Application de la méthode de délimitation
Les données de base du programme étant traitées, les programmes corrigés et réadaptés à ces données, il ne restera plus que l’application de la méthode utilisée pour délimiter les différents bassins d’apports pluviaux.
Phase 4 : Analyse et interprétation des résultats
Les résultats de l’application de l’outils de délimitation automatique seront examinés. Il sera procéder à une vérification que toute la zone d’étude a été pris en compte dans la délimitation et que cette délimitation est bien conforme aux relief du terrain et à la topographie du réseau d’assainissement.
Il sera procédé par la suite à la cartographie thématique des différents sous-bassins (délimitation et coefficient d’imperméabilisation).Les résultats devront être ensuite remis au bureau G2C environnement afin d’être intégrés dans le SIG qui sera remis à son tour au maître de l’ouvrage.
Outils du travail
Les outils du travail employés sont principalement les outils logiciels suivants :
MapInfo Professional (version 8.5)
C’est un logiciel SIG qui permet l’analyse, visualisation et l’édition des données géographiques de différents formats. Il constitue l’outils principal utilisé dans ce travail.
Il servira, en plus d’analyse de données, à l’affichage des différents bassins délimités ainsi qu’à la création des cartes thématiques relatives au coefficient d’imperméabilisation.
MapBasic (version 8.5)
C’est un logiciel de programmation utilisant un langage structuré de type BASIC. Il permet à l’utilisateur de personnaliser une application MapInfo et de créer des applications cartographique puissantes et qui sont impossible sous MapInfo seul.
Cart@jour
C’est un logiciel SIG développé par la division informatique de G2C Environnement. Il sera utilisé dans la première phase de ce travail pour établir un état des lieux préliminaire avant d’exporter les données vers MapInfo.
LES BANQUES DE DONNEES URBAINES ET L’HYDROLOGIE
L’objectif de ce travail est l’utilisation des banques de données urbaines pour la délimitation des bassins versants de l’agglomération de Caen La Mer. Il est à présent nécessaire de s’interroger sur les moyens disponibles pour exploiter et gérer ces banques de données. Les Systèmes d’Information Géographiques (notés ici SIG) sont devenus les outils incontournables pour la gestion des bases de données urbaines.
Dans ce chapitre, une introduction au domaine des SIG sera exposée. Par la suite, une synthèse bibliographique non exhaustive des travaux antérieurs, utilisant les données géographiques urbaines pour des études hydrologiques, sera menée. Enfin, il sera procédé au développement de la méthodologie d’analyse hydrologique utilisée dans ce travail pour la délimitation des bassins d’apport pluviaux.
Les Systèmes d’Information Géographiques (SIG)
En ville, ou en milieu rural, les cartes géographiques sont des outils indispensables d’aide à la décision. la création, la mise à jour et l’exploitation de ces cartes nécessitent la manipulation d’un grand nombre de données surtout dans un environnement urbain qui ne cesse de se transformer. L’avènement des outils informatiques performants a largement facilité cette tâche. C’est ainsi que les SIG ont évolués d’une manière spectaculaire depuis leur création au milieu des années 80.
Définitions
Information géographique
L’information géographique peut être définie comme une représentation de la réalitélocalisée dans le temps et dans l’espace. Elle comporte une donnée géographique (composante spatiale) et un certain nombre de renseignements ou « attributs » (composante thématique). La donnée géographique est un objet repéré sur la surface terrestre par des coordonnées géographiques issues de la projection sur une surface plane des points de l’ellipsoïde terre. Elle permet d’avoir l’information sur la position de l’objet ainsi que sur ses caractéristiques géométriques. La composante thématique permet d’avoir des renseignements sur la nature de l’objet (bâti, voirie, etc..) ou toute autre information contextuelle (nombre d’habitants, type ou superficie d’un bâtiment). Cesrenseignements sont stockés dans une base des données géographiques sous forme d’un ensemble des données structurées.
Système d’Information Géographique
Un SIG est un système informatisé qui comprend une base des données sur un ensemble d’unités géographiques et un ou des logiciels permettant de gérer le stockage, la mise à jour, un accès efficace aux informations, le traitement et la représentation visuelle de ces données (Béguin et Pumain,1994).
Les SIG dans les villes
Vu l’importance de données à gérer au quotidien, l’utilisation des S.I.G en milieu urbain est devenu indispensable. Leur ergonomie intuitive permet de procéder à des requêtes très évoluées tout en n’exigeant pas obligatoirement une expertise poussée. C’est ainsi que les services techniques de l’administration ont senti le besoin pour l’installation d’un SIG qui leur permet de gérer leurs bases de données géographiques. L’installation du SIG est généralement pilotée par des sociétés extérieures aux collectivités. A titre d’exemple, la Communauté d’Agglomération de Caen La Mer a sélectionné , en 2007, STAR-APIC pour la mise en œuvre d’un SIG complet ainsi que l’intégration des données et des différents réseaux. Le SIG sera par la suite pris en main par le service gestionnaire de la banque des données urbaines qui prendra la responsabilité de sa mise à jour continue. Cette dernière tâche représente un défi majeur pour toute politique d’installation d’un SIG en raison de l’évolution continue des travaux de construction en ville. Les couches de données principales qu’on peut avoir dans un SIG d’une ville sont :
les plans cadastraux : cette couche représente le référentiel spatial de la ville. Elle fait généralement l’objet d’une convention entre la Direction Générale des Impôts (DGI) et la collectivité locale. Cette couche peut donner à elle seule la surface totale de la ville.
et les autres couches relatives aux thèmes de la voirie, la topographie, les bâtiments, les réseaux d’assainissement et des photos aériennes.
L’enrichissement d’un SIG en terme de nombre de couches géographiques dépend principalement du budget alloué, de la nature des projets qui sont à mener et de la proréactivité du service gestionnaire en terme de mise à jour de données.
En hydrologie, les données géographiques généralement utilisées sont les plans cadastraux, les bâtiments et surfaces imperméabilisées, la topographie du terrain, le réseau hydrographique et le réseau d’assainissement des eaux pluviales.
L’intérêt de l’utilisation du SIG en hydrologie urbaine
L’hydrologie urbaine est une branche de l’hydrologie qui traite les zones urbaines. Elle s’intéresse particulièrement aux effets des aménagements urbains sur le cycle de l’eau.
Dans un contexte de développement durable, les préoccupations environnementales font de l’hydrologie urbaine une composante importante des sciences de l’environnement en milieu urbain. En effet, dans un milieu urbain, la pression anthropique affecte la surface du milieu et le proche sous-sol. Les surfaces imperméabilisées gagnent du terrain et les réseaux hydrographiques sont transformés et artificialisés. Cette évolution augmente les débits des volumes d’eau pluviale en direction du milieu récepteur, ce qui engendre les risques des inondations. En lessivant les surfaces urbaines, cette eau pluviale augmente aussi le risque de la pollution du milieu. Le cycle de l’eau se voit modifié d’une manière progressive. Cette modification est étroitement liée aux phénomènes del’étalement urbain.
L’hydrologie urbaine s’intéresse, désormais, au développement de nouvelles techniques d’aménagement de l’espace visant à protéger les agglomérations contre diverses nuisances liées à l’eau et à protéger et le milieu naturel contre les pressions anthropiques urbaines. Ces nouvelles techniques dites techniques alternatives sont fondées, en général, sur le principe de l’infiltration et du stockage (Bassin de retenue, noue, chaussée à structure réservoir, puit d’infiltration, etc.…).
C’est dans ce contexte, qu’il est important de comprendre le comportement d’une zone urbaine suite à un événement pluvieux. La connaissance des caractéristiques géométriques et physiques du milieu semble être indispensable pour une meilleure description du milieu urbain. Le développement des SIG a largement contribué à une documentation de plus en plus détaillée des banques de données urbaines. Cette documentation associée aux capacités de l’outil SIG permet d’avoir une analyse spatiale détaillée du milieu urbain.
L’intérêt des SIG en hydrologie urbaine se manifeste par le fait qu’ils sont des outils performants pour stocker, gérer, mettre à jour, analyser et représenter des données géographiques utiles à un processus hydrologique.
L’une des premières applications possibles et pertinentes des SIG est leurs utilisation dans la modélisation hydrologique. Bien que la modélisation proprement dite ne sera pas traitée dans ce travail, nous rappelons tout de même des généralités qui peuvent aider à la compréhension des paragraphes suivantes.
Généralités
bassin versant
La bassin versant est la surface élémentaire pour l’étude hydrologique. Il est définit en un point donné comme étant la surface géographique drainée par le cours d’eau et ses affluents en ce point. C’est une surface fermée où tout excèdent de précipitation s’évapore ou s’écoule par une seule section à l’exutoire. Il dispose des caractéristiques physiques qui influencent son comportement hydrologique suite à une sollicitation pluvieuse. Ces caractéristiques sont classées en deux types :
Les caractéristiques géométriques : la géométrie du bassin (surface, pente et relief du terrain) et celle de son réseau hydrographique (structure du réseau, longueurs et pentes du réseau);
Les caractéristiques relatives à la nature et l’occupation du sol : couverture et nature du sol et la géologie su substratum.
Il est bien évident que l’urbanisation affecte la quasi totalité de ces caractéristiques du bassin, et par conséquent son fonctionnement hydrologique. L’étude du comportement d’un bassin versant urbanisé afin d’appréhender son débit se fait généralement en conjuguant expérimentation et modélisation.
Modélisation hydrologique
La modélisation hydrologique vise à représenter la réponse d’un bassin versant à une sollicitation pluvieuse. Elle accorde généralement une importance majeure au ruissellement sur les surfaces imperméabilisées qui sont les principales sources d’écoulement.
En hydrologie, le phénomène de transformation de la pluie en débit est composé de deux concepts souvent considérés comme indépendants et se succèdent dans le temps : la fonction de production et la fonction de transfert.
La fonction de production détermine la part de la pluie brute qui contribuera au ruissellement (pluie nette), la part infiltrée et évaporée.
La fonction de transfert transforme la pluie nette ou efficace précédente en un débit ruisselé à l’exutoire du bassin.
Cette répartition classique en deux concepts est schématisée dans le figure 3. Elle montre la partie de la pluie brute (pluie nette), située au-dessus de la courbe du régime d’infiltration, qui contribuera au ruissellement (fonction de production), ainsi que l’hydrogramme de crue généré par cette pluie nette (Fonction de transfert). Le calcul de la pluie nette fait intervenir toutes les caractéristiques du bassin versant. Dès lors, il est difficile de définir une relation analytique rigoureuse pour la fonction de production. Par ailleurs, l’analyse des mesures des pluies précipitées et des débits à l’exutoire du bassin permet d’obtenir des informations pertinentes sur la fonction de transfert.
Développement de la méthode de délimitation des bassins versants
La méthode de délimitation automatique des bassins qui sera utilisée dans ce travail est uneméthode développée par le LCPC de Nantes (Fabrice RODRIGUEZ et al.). C’est uneméthode basée sur une analyse hydrologique détaillée du milieu urbain utilisant exclusivement les capacités de l’outil SIG et le contenu des banques de données urbaines.
Cette analyse hydrologique a pour but la modélisation d’un bassin versant urbanisé pour simuler sa réponse hydrologique suite à une impulsion pluvieuse donnée. Il convient de signaler que la phase qui concerne la délimitation automatique de bassin ne constitue qu’une application de cette analyse hydrologique globale.
Cette méthode de délimitation a été appliquée à plusieurs bassins versants de l’agglomération nantaise dont le bassin des Renards(60ha) et le bassin de Gohards (180ha) . L’application de la délimitation a donné satisfaction par rapport aux limites du bassin de référence, déterminées manuellement et par enquête de terrain.
Méthodologie
La méthodologie développée pour la mise en œuvre de cette méthode est composée de deux étapes principales : Caractérisation des Eléments Hydrologiques et construction du graphe hydrologique.
Etape 1 : caractérisation des Eléments Hydrologiques
L’analyse hydrologique développée prévoit le découpage du bassin versant étudié en plusieurs éléments unitaires appelés « Eléments Hydrologiques (Ehs) ». L’élément hydrologique est défini par cette analyse comme le regroupement d’une parcelle cadastrale et de la portion de la voirie qui lui est adjacente (Figure 2.8 ). Ainsi, la surface totale des Eléments Hydrologiques (Ehs) est égale à toute la surface urbaine. L’analyse ne prévoit pas la création d’une couche géographique séparée et dédiée aux Ehs. Toutefois, elle crée un attribut dans la couche des parcelles cadastrales qui correspond à la surface de l’EH associée à chaque parcelle. Deux types de parcelles sont distingués : les parcelles viaires qui sont adjacentes avec la voirie et les parcelles masquées qui n’ont pas de connexion avec la voirie. La surface de l’EH est égale, dans ce dernier cas, à celle de la parcelle cadastrale. La surface de la portion de la voirie adjacente des parcelles viaires est calculée en réalisant une redistribution de la surface de chaque tronçon surfacique de voie sur les parcelles adjacentes.
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Table des matières
0. Introduction
I. Contexte du travail
I.1 Présentation des établissements d’accueil
I.1.1 G2C Environnement
I.1.2 Laboratoire Central des Ponts et chaussées
I.2 Projet de l’Etude Générale du Système d’Assainissement de l’Agglomération de Caen
I.2.1 Contexte réglementaire du projet
I.2.2 Objectif du projet
I.3 Objectif du stage dans le cadre du projet
I.4 Méthodologie développée et outils du travail
II. Les banques de données urbaines et l’hydrologie
II.1 Les Systèmes d’Information Géographiques (SIG)
II.1.1 Définitions
II.1.2 les SIG dans les villes
II.2 L’intérêt de l’utilisation des SIG en hydrologie urbaine
II.2.1 Généralités
II.2.2 Les applications des SIG en hydrologie urbaine
II.3 Développement de la méthode de délimitation des bassins versants
II.3.1 Les données géographiques utilisées
II.3.2 Méthodologie
II.3.3 Délimitation automatique des bassins
III. Mise en œuvre de la méthode de délimitation
III.1 Analyse des données
III.2 Prétraitement des données
III.3 Mise en œuvre de la méthode
III.4 Interprétation des résultats
III.5 Coefficient d’imperméabilisation
Conclusion
Références bibliographiques
Annexe
