aménagements des cours d’eauaménagements des cours d’eau · dimensionnement eau hydrologie...

ÉC OLE POLY TEC H NIQU EFÉDÉRALE D E LAUSAN NE

Laboratoire de constructions hydrauliques

Aménagements de cours d’eau

Aménagements des cours d’eauAménagements des cours d’eau




Aménagements de cours d’eau - ContenuAménagements de cours d’eau - Contenu

1. Approche au problème de la protection contre les crues et concepts

2. Espace vital nécessaire des cours d’eau

3. Importance du charriage pour la protection contre les crues

4. Interaction de l’écoulement avec la végétation riveraine

5. Mesures conceptuelles pour la protection contre les crues

6. Conception et dimensionnement des mesures de protection constructives




Inondations du 21 au 23 août 2005Inondations du 21 au 23 août 2005



Aménagements de cours d’eau 2005=2,5 milliards

L‘échec de la politique de protection contre les crues ?




Investionen im Bereich Hochwasserschutz seit 1970

0

50'000'000

100'000'000

150'000'000

200'000'000

250'000'00019

70

1971

1972

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

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1991

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1999

2000

2001

2002

2003

Jahr

Jähr

liche

Inve

stiti

onen

[Fr.]

0

500'000'000

1'000'000'000

1'500'000'000

2'000'000'000

2'500'000'000

3'000'000'000

3'500'000'000

4'000'000'000

4'500'000'000

5'000'000'000

Sum

me

der

Bund

esbe

iträg

e / B

auko

sten

[Fr.

]

BaukostenBundesbeiträgeSumme BaukostenSumme Bundesbeiträge

1987




Minimisation

Approche au problème de la protection contre les crues et conceptsApproche au problème de la protection contre les crues et concepts

Analyse de dangers

Différenciation desobjectifs de protection

Planification des mesuresde protection

Limitation du risque restant

Construction d'un aménagementde cours d'eau

Augmentation de la sécuritéen cas de crues

Atteintes subies par le cours d'eauEffets nuisibles




Analyse de dangersAnalyse de dangers

Processus

Déroulement

Solution appropriéeet adaptée à la situation

Connaissanceapprofondied'un danger

Effet

Conception etdimensionnement des ouvrages de

protection

Sécurité




Processus dangereux en cas de crues et de laves torrentiellesProcessus dangereux en cas de crues et de laves torrentielles

Analyse de dangers

Eau

ErosionDépôts desmatériaux

solides

Laves torrentielles

Inondation

Processusdéterminants

Charriag

e Corpsflottants




Processus dangereux - érosionProcessus dangereux - érosion

Erosion verticale: changement de la pente du lit du cours d'eau- affouillement des ouvrages de protection- affouillement des fondations des infrastructures

(ponts, etc.)

Erosion latérale: élargissement du cours d'eau- glissement des rives- dommages aux bâtiments et aux ouvrages

d'infrastructure situés à proximité

L'érosion influence fortement la capacité du transport solide d'un cours d'eau




Processus dangereux - inondationProcessus dangereux - inondation

Excédant d'eauet / ou

excédent de charriage

Inondations

Inondationsfaibles

Inondationsdangereuses

H < 1.5 mV · H < 0.5 m2/s V · H > 0.5 m2/s

Dépôt des matériaux solidesdans les zones d'inondation




Différenciation entre les objectifs de protectionDifférenciation entre les objectifs de protection



Aménagements de cours d’eauDifférenciation des objectifs de protection en considérant les scénarios de

charriage pour le débit de dimensionnementDifférenciation des objectifs de protection en considérant les scénarios de

charriage pour le débit de dimensionnement

Catégoriesd'objets

Débit dedimensionnement

Eau

CharriageHydrologie des crues

• Pointe• Volume

Scénario de charriage

• Capacité de transport

• Potentiel de charriage

Limite desdommages Limite des dangers




Démarche suivie dans la planification des mesures de protectionDémarche suivie dans la planification des mesures de protection




Mesures de protectionMesures de protection

vidange des dépotoirsenlèvement de dépôts alluvionnairesréparation de petits dommages subis par des ouvrage de correctionstabilisation, par drainage et techniques du génie biologique, des versants instables

interdiction de construire dans des zones dangereusesmesures visant à protéger un objet donnéprescriptions en matière de mise en culture de zones agricoles

Entretien approprié descours d'eau

Mesures d'aménagementdu territoire




15 % des cartes de dangers liés aux crues sont prises en compte dans l‘aménagement du territoire

80% des communes sont menacées50% établies ou en cours d‘élaboration

Cartes des dangersCartes des dangers




Mesures de protection constructivesMesures de protection constructives

Rétention Dérivation Passage

bassin de rétention

réservoir à maîtrisedes crues

régulation deslacs naturels

canaux et galeriesde dérivation

ouvrages dedérivation

ouvrages derestitution

endiguementabaissement dulitprotection desrives et du litcontre érosion(enrochement, etc.)correction dutracée

CRUES




Principes visant à réduire les effets nuisibles des mesures constructives de protection

Principes visant à réduire les effets nuisibles des mesures constructives de protection

a) Préservation du caractère naturel d'un cours d'eaub) Configuration naturelle et animée des ouvrages de protection et les

lignes de rivec) Murs de protection seulement là où ils sont indispensablesd) Renoncement aux seuils fixese) Abandon de la modification du litf) Ouvrages de protection flexiblesg) Standard de protection différencié pour les rives intérieures et

extérieures dans des tronçons courbésh) Allégement de la plantation des arbustes et arbresi) Garantie d'accès aux cours d'eau et son entretien




Nouveaux concepts et principes pour la protection contre les crues des cours d’eau selon les directives de l’OFEG en SuisseNouveaux concepts et principes pour la protection contre les

crues des cours d’eau selon les directives de l’OFEG en Suisse

Loi fédérale sur l’aménagement des cours d’eau (LACE)Ordonnance correspondante (OACE)

« La protection contre les crues doit être réalisée avec un minimum d’atteintes aux cours d’eau et une grande importance doit être accordée à la prévention. Cependant, malgré toutes les mesures préventives, un plan d’urgence approprié et une organisation en cas d’urgence restent incontournables ».

Bases légales :

Priorité :




Aspects économiques

Aspects sociaux

Aspects écologiques

StratégieConfédération 1995 Exigences vis à vis de la

protection contre les crues

1997 Recommandations sur les dangers de l‘eau

Stratégie OFEV

Tous les aspects du développement durable doivent être pris en compte dans la planification des mesures




Nouveaux concepts et principes pour la protection contre les crues des cours d’eau selon les directives de l’OFEG en SuisseNouveaux concepts et principes pour la protection contre les

crues des cours d’eau selon les directives de l’OFEG en Suisse

Apprécier la situation de dangerIdentifier les déficits écologiques et y remédierDifférencier les buts de protectionRetenir où cela est possible; évacuer si cela est nécessaireMinimiser les interventionsExaminer les points faiblesGarantir l’entretienAssurer l’espace nécessaireRespecter les besoins




Démarche intégrée pour la protection contre les cruesDémarche intégrée pour la protection contre les crues




Définition des besoins d’actionDéfinition des besoins d’action

Sécurité

Écologie




Stru

ctur

e m

onot

one

Pas de dynamique

Manque de végétation Espace vital limité

Pas d’espace loisirs

Espace limité pour év. extrêmes

Problèmes actuels du point de vue de l’écologieProblèmes actuels du point de vue de l’écologie




—— cours d‘eau naturelcours d‘eau naturel

—— cours d‘eau naturel cours d‘eau naturel de montagne de montagne

—— cours d‘eau corrigécours d‘eau corrigé

Etat des cours d’eau en Suisse à la fin du 20ème siecleEtat des cours d’eau en Suisse à la fin fin du 20ème du 20ème sieclesiecle




Les surfaces construites croissent de 1 m2 / s !

L'espace disponible des cours d’eau est réduitL'espace disponible des cours d’eau est réduit




Pour répondre aux exigences écologiques (plus de l’espace pour les cours d’eau) en Suisse manquent env. 50’000 ha

Revitalisation des cours d’eau: Besoins d’actionRevitalisation des cours d’eau: Besoins d’action

En Suisse 12‘600 km des cours d‘eau sont artificiels ou fortement influencés par des mesures de protection !!!

La tâche d'une générationLa tâche d'une génération




Ordonnance sur l'aménagement des cours d'eau (OACE)Ordonnance sur l'aménagement des cours d'eau (OACE)

1 Les cantons désignent les zones dangereuses.

2 Ils déterminent l'espace minimal des cours d'eau nécessaire à la protection contre les crues et à la préservation des fonctions écologiques.

3 Ils tiennent compte des zones dangereuses et des besoins d'espace dans leurs plans directeurset dans leurs plans d'affectation …

Article 21:




Déterminer l’espace nécessaire des cours d’eauDéterminer l’espace nécessaire des cours d’eau




suffisantsuffisantnonnon suffisantsuffisant

Espace …Espace …




Espace vital des cours d'eauEspace vital des cours d'eau

Lit majeurLit mineur

Zone de rive

Zone de divagation

Zone de tampon

Berge

Lit du cours d'eau

Espace primaireEspace

secondaire

Zone de bord

Niveau de crueSection d'évacuation

Profondeur du lit

Zone de rétention et d'inondation

Espace vital du cours d'eauTerrain environnant

Lit mineur Berge

Zone de rive




Concept "Espace vital du cours d'eau"Concept "Espace vital du cours d'eau"

· L'utilisation doit toujours rester possible.· La demande d'une protection contre les

crues est mise en valeur.· Des mesures constructives dans l'espace du cours d'eau peuvent être nécessaires pour la protection de bâtiments ou d'autres objets importants (protection locale).

· L'agriculture peut toujours utiliser l'espace secondaire, mais de manière adéquate.

· L'excavation, l'exploitation de sédiments est autorisée si elle sert à la protection contre les crues.

· Le bilan du transport de sédiments doit rester le plus naturelpossible, sauf si des mesures de protection nécessitent une excavation/exploitation de sédiments.

· Les cours d'eau doivent garder l'espace nécessaire pour un dévelop-pement naturel ou proche de la nature (protection du cours d'eau).

· Des constructions à l'intérieur de l'espace du cours d'eau ne sont plus autorisées.

· Le lit principal devrait être continu pour permettre la vie à sa faune aquatique (continuité longitudinale) pour autant que cela corresponde à son état naturel. Les obstacles fixes doivent être franchissables.

· Le cours d'eau doit être entouré d'arbres ou de végétation naturelle derive et être ombragé dans la plupart des cas.

· La végétation du cours d'eau, spécialement la végétation des rives doit être capable de se développer de manière naturelle.

· L'apport de bois morts est souhaitable pour autant que le risque d'obstruction soit éliminé. Les mesures d'entretien sont limitées au minimum.

La demande d'utilisation de l'homme dans l'espace du cours d'eau est reconnue

La demande d'espace du cours d'eau est reconnue

L'espace minimal déterminé du cours d'eau définit l'espace nécessaire pour une forme et un développement naturel du cours d'eau en garantissant ainsi la possibilité de préserver des fonctions vitales du cours d'eau




Méthodes de détermination de l'espace vitalMéthodes de détermination de l'espace vital

Approche quantitative

Attribution des fonctions aux différentes zones d'un cours d'eau

Lit du cours Zone de Zonesd'eau rive supplémentaires

Fonction de transport Fonction de biotope et de paysage Fonction de tampon Fonction de détente




Largeur existante du lit Bsi

Largeur empirique du lit BseE : surface du bassin versant en [km2]

G : pente moyenne pondérée du

terrain en [%]

N : Précipitations annuelles moyennes en [mm]

Largeur hydraulique du lit Bsh

Bs = max (Bsi, Bse,Bsh)

Détermination de la largeur minimale du lit d'un cours d'eauDétermination de la largeur minimale du lit d'un cours d'eau

][km 10E pour [m]; E.G

N.B

][km 10E pour [m]; .EG

N.B

2.se

2.se

≤⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅⋅=

>+⋅⋅⋅=

−

−

250108760

52108760

905

905

JtK

QBst

ssh

⋅⋅=

35 applicable si Bsh > 10 t




Détermination de la zone de rive BuDétermination de la zone de rive Bu

largeur existante de la zone des rives (Bui)largeur empirique de la zone des rives (Bue)

largeur constructive de la zone des rives (Buw) - talus 1 : 2Bu = max (Bui, Bue,Buw)

Détermination de la largeur des rives

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20 25

Largeur du lit du cours d'eau [m]

Larg

eur d

e la

zone

de

rive

[m]

Espace minimal nécessaire

Biodiversité




Détermination de la largeur de la zone tampon

Détermination de la largeur de la zone de divagationDétermination de la largeur de la zone de divagation

avec Bpb: largeur de la zone de divagation en [m]Bse: largeur empirique du lit du cours d'eau en [m]Bsi: largeur existante du lit du cours d'eau en [m]

sisepb BB.B −⋅= 65

Détermination de la largeur de la zone de détente

généralement 3 m (chemin d'entretien)

Bpz > 20 à 35 m (habituellement), 45 m (au maximum)




Espace vital nécessaire du cours d'eau en fonction de la variabilité de sa largeur

Espace vital nécessaire du cours d'eau en fonction de la variabilité de sa largeur

Espace vital nécessaire d'un cours d'eau

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15Largeur du lit du cours d'eau [m]

Espa

ce to

tal n

éces

saire

[m]

absente

limitée

prononcée

Variabilité de la largeur du lit du cours d'eau




Espace minimal pour le cours d'eauEspace minimal pour le cours d'eau

Du point de vue de la protection contre les crues

HQ

Berge

Largeur du lit

Berge Bordure

Entretien / Zone tampon

Zone riveraine

3m 1:2 3m1:2




Espace minimal recommandé pour le cours d'eauEspace minimal recommandé pour le cours d'eau

Point de vue environnemental

Largeur naturelle du lit

Zone riveraine selon le diagramme

Zone riveraine selon le diagramme




La largeur de la bande de divagation représente environ 5 - 6 fois la largeur du lit naturel

Zone riveraine

Espace récréatif

Bande de divagation

Bande de divagationBande de divagation




•0

•2

•4

•6

•8

•10

•12

•14

•16

•0 •1 •2 •3 •4 •5 •6 •7 •8 •9 •10 •11 •12 •13 •14 •15 •16 •17 •18 •19 •20

•Largeur naturelle (m)•)

•Lar

geur

de

la z

one

river

aine

(m)

Largeur minimale

Espace minimal: relations déterminantesEspace minimal: relations déterminantes

Largeur respectant la biodiversité




Revitalisation de la Thur au Canton de Zurich

Revitalisation de la Thur au Canton de Zurich

Elargissement




Revitalisation de la Thur au Canton de

Zurich

Revitalisation de la Thur au Canton de

Zurich

Elargissement




Importance du charriage pour la protection contre les cruesImportance du charriage pour la protection contre les crues

La force impitoyable du charriage




Interaction de l’écoulement avec le charriageInteraction de l’écoulement avec le charriage

Loi de frottement et vitesse de l’écoulementLoi de frottement et vitesse de l’écoulement• Loi de frottement empirique selon la distribution

logarithmique

avec

• Loi de frottement de Strickler

avec

vm = ghJ' 2.5 ln 12.27 h2d90

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

J' = J 1- e-0.02hd90 J

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

vm = kst h2 /3J1/2

k st = 21.1d 90

6





L’effet des parois (rives) pour les canaux étroitsL’effet des parois (rives) pour les canaux étroits• Rayon hydraulique des surfaces partielles

proches des rives

selon Strickler

• Surface effective pour le calcul du débit

Rui =vm

kuiJ1

2

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

1.5

Aeff = RSBF + RuiPui( )∑ = Q/vm





Capacité de transport du charriageCapacité de transport du charriage

• Formule VAW (Smart&Jäggi) pour pentes de lit entre 1‰ et 20%

avec

Qb = BF ⋅ ρs ⋅ 2.5 ⋅RS ⋅ vm ⋅ J0.6 J - dm

12.1 ⋅Rs

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

θcr = 0.05 ρs

ρw

= s = 2.65 qb = 2.5 ⋅ q ⋅ J0.6 J - dm

12.1 ⋅ hm

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

en [en [mm33/sm/sm]]





• Erosion de la couche de pavage

Erosion de la couche de pavage

Capacité de transportdu charriage

Déb

ut d

u ch

arria

ge

Déb

it so

lide

Débit d’eau QQDQ0

Qb

Erosion de la couche de pavage


Déb

ut d

u ch

arria

ge

Déb

it so

lide

Débit d’eau QQDQ0

QbQb

hD =

0.05 s −1( )dm

JdmD

dm

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

23

selon Günter(1971)




Interaction de l’écoulement avec le charriageInteraction de l’écoulement avec le charriageCapacité de transport

du charriage

Profondeur d’eau hPente J

Diamètre caractéristique des grains dm

Largeur du lit

Forme du lit

Riv

ière

s na

ture

lles

Riv

ière

sca

nalis

ées

Alluvionnement Erosion

Qbu = Qbo

Equilibredynamique

Qbu < Qbo Qbu > QboQbu


Profondeur d’eau hPente J

Diamètre caractéristique des grains dm

Largeur du lit

Forme du lit

Riv

ière

s na

ture

lles

Riv

ière

sca

nalis

ées

AlluvionnementAlluvionnement Erosion

Qbu = Qbo

Equilibredynamique

Qbu < Qbo Qbu > QboQbu





Cap

acité

de

trans

port

Qb

Pent

e J

J, Q = constant

Valeur limite

Largeur du lit BF

BF

Qb, Q = constant

Bopt

Bopt

Jmin

Qb max

Valeur limite

Largeur du lit

Cap

acité

de

trans

port

Qb

Pent

e J

J, Q = constant

Valeur limite

Largeur du lit BF

BF

Qb, Q = constant

Bopt

Bopt

Jmin

Qb max

Valeur limite

Largeur du lit

Capacité detransport Qb

Pente J





Rivières larges avec bancs de sableRivières larges avec bancs de sable ouou rivières à lits multiples rivières à lits multiples (en tresse)(en tresse)• Capacité de transport selon Zarn

où

Qb = Qbmax 3.65e-8.86U - 4e-1.5U + 0.35( ) U =

BF

Bopt

Qbmax = QB (Bopt )





Phénomènes locauxPhénomènes locaux• Affouillement• Dépôts/bancs stationnaires





Augmentation de la profondeur d’eau suite Augmentation de la profondeur d’eau suite à une concentration importante de charriageà une concentration importante de charriage

• Augmentation considérable du niveau d’eau pour des pentes raides (> 5%)

Smart&Jäggi, 1983

• Laves torrentielles à partir des pentes de 20%

hmw

hmg

=1−1.1 ⋅ J1.14qB0.18dm

−0.27




Analyse de danger et charriage – Processus déterminantsAnalyse de danger et charriage – Processus déterminants

Analyse de dangers

Eau

ErosionDépôts desmatériaux

solides

Laves torrentielles

Inondation

Processusdéterminants

Charriag

e Corpsflottants




Analyse de danger et charriage – ErosionAnalyse de danger et charriage – Erosion

• Erosion verticale Changement de la pente du lit et de la capacitéde transport

• Erosion latérale Elargissement de la rivière et réduction de la capacité de transport




Analyse de danger et charriage – Erosion latéraleAnalyse de danger et charriage – Erosion latérale




Analyse de danger et charriage – InondationsAnalyse de danger et charriage – Inondations




Analyse de danger et charriage – Dépôts des matériaux solidesAnalyse de danger et charriage – Dépôts des matériaux solides



Aménagements de cours d’eauTORRENT

Bassin versant

Cône de déjection

Rivière en plaine

Versant

Injection dessédiments

Dépôt des sédiments

Replacement dessédiments

Livreuse dessédiments

Formation des sédiments

Réseau du ruisseau

Zone de glissement



Aménagements de cours d’eauTORRENT

Bassin versant

Cône de déjection

Rivière en plaine

Versant




Analyse de danger et charriageChangement abrupt des pentes et sections critiques

Analyse de danger et charriageChangement abrupt des pentes et sections critiques

Zone d’érosion(tronçon d’alimentation) Tronçon raide Cône d’alluvions

(rocheux)Débit d’eau

Excédent du charriageV1 - V3

Capacité-de transport

Apport maximalV1

V2

V3

Alluvionnement du lit




Analyse de danger et charriage – Laves torrentiellesAnalyse de danger et charriage – Laves torrentielles




Objectifs de protectionObjectifs de protection

Catégoriesd'objets

Débit dedimensionnement

Eau

CharriageHydrologie des crues

• Pointe• Volume

Scénario de charriage

• Capacité de transport

• Potentiel de charriage

Limite desdommages Limite des dangers




Objectifs de protection – Début du charriageObjectifs de protection – Début du charriage

• Nettoyage/lavage des dépôts du lit:par rapport à la granulométrie du lit, les dépôts sont composés de matériaux relativement fins déposés lors de la decrue

• Erosion verticale:érosion de la couche de pavage et mouvements de gros blocs

• Erosion latérale:Déstabilisation des rives et talus

• Apport des confluents:par transport du charriage et laves torrentielles

• Rupture des ouvrages de protection:mobilisation abrupte des matériaux solides suite à la rupture desbarrages en torrent




Planification des mesuresPlanification des mesures

Entretien des cours d’eau

Mesures d’aménagementdu territoire

Mesures deprotection

constructives




Planification des mesures – Entretien du cours d’eauPlanification des mesures – Entretien du cours d’eau

• Réduction des sources de dépôts solides,maintien de la capacité de transport du cours d’eau et volume des dépotoirs

- Vidanges réguliers des dépotoirs

- Dragage des dépôts locaux et dangereux

- Réparation des dégâts d’érosion aux ouvrages de protection

- Stabilisation des sources de dépôts solides par drainages et génie biologique (éboulements)




Planification des mesuresMesures d’aménagement du territoire

Planification des mesuresMesures d’aménagement du territoire




Planification des mesuresMesures de protection constructives

Planification des mesuresMesures de protection constructives

Rétention

Déviation du charriage

Transition




Planification des mesures – Rétention du charriagePlanification des mesures – Rétention du charriage

• Stabilisation des sources de dépôts solides• Dépotoirs• Barrages de retenue

Pas de vidange automatique des dépotoirs

Transition dosée du charriage pas possible




Planification des mesures – Transition du charriagePlanification des mesures – Transition du charriage

Les mesures de protection doivent être conçues de telle manière que les alluvionnements ou érosions dangereux puissent être évités ou limités

Alluvionnement: - Aggrandissement de la section de la rivière- Augmentation de la capacité de transport

Erosion verticale: - Augmentation de la stabilité/résistence dulit aux érosions

Erosion latérale: - Protection des rives contre l’érosion





• Section de passagesuffisante

• Favoriserl’écoulementen charge

• Profiter del’affouillement en courbe

Problématique des ponts





Profiler l’affouillement en courbe





Erosion verticale: - Couche de pavage artificielle (revêtement, gros blocs)- Seuils (points fixes du lit)- Rampes de blocs- Traversées- Elargissement local du cours d’eau- Stabilisation avec éléments en béton

(prismes, tétrapodes, etc.)Erosion latérale: - Enrochements

- Epis- Murs de protection- Combinaison avec des mesures de génie biologique

Protection contre les érosions




Destruction des murs après débordement

Aspects économiquesAspects économiques




Coûts par m'

Mur: Fr. 3500.--





Protection des rives en enrochements Fr. 700.--/m'





Reconstituer des conditions favorables Reconstituer des conditions favorables




Exemple visionnaire





www.bafu.admin.ch“dangers naturels”

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