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Introduction au Modèle EPA SWMM pour la modélisation des réseaux d'assainissement pluvial

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Introduction au Modèle EPA SWMM pour la modélisation des réseaux d'assainissement pluvial

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Cours d'introduction aux fondements et principes théoriques du modèle EPA SWMM pour la modélisation des réseaux d'assainissement pluvial

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  1. 1. Dr. Roland O. YONABA Hydraulique, Hydrologie Appliquée et Modélisation hydrologique / 2iE Email: ousmane.yonaba@2ie-edu.org Storm Water Management Model (SWMM) Outil d’aide à la Gestion des Réseaux d’Eaux Pluviales en contexte Urbain
  2. 2. 2 INTRODUCTION Problématique de la Gestion des Eaux Pluviales ❑ Changement et variabilité climatique exacerbés ❑ Hausse des températures et de l’évapotranspiration ❑ Occurrence accrue des extrêmes de pluie ❑ Occurrence accrue des inondations ❑ Accroissement de la population urbaine ❑ Extension de l’espace urbain, souvent mal contrôlé ❑ Manque de pertinence et/ou non respect des schémas d’aménagement urbain
  3. 3. 3 INTRODUCTION Problématique de la Gestion des Eaux Pluviales Période actuelle Horizon 2030 Horizon 2050 Horizon 2030 Horizon 2050 Période actuelle Sécheresses Températures Source: McKinsey Global Institute, 2020
  4. 4. 4 INTRODUCTION Problématique de la Gestion des Eaux Pluviales Pr. Ed Hawkins #ShowYourStripes
  5. 5. 5 INTRODUCTION Problématique de la Gestion des Eaux Pluviales 0.5 0.9 1.6 2.7 4.3 6.8 10.7 10.7 15.9 22.9 31.9 0 5 10 15 20 25 30 35 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 Population (millions hab.) Population urbaine malgache (millions) Projection 2050 Source: Données Banque Mondiale
  6. 6. 6 INTRODUCTION Problématique de la Gestion des Eaux Pluviales ❑ Ecueils de la gestion des EP ❑ Réseaux subissant une sollicitation de plus en plus élevée ❑ Réseaux difficilement entretenus ❑ Réseaux anciens, qui n’évoluent pas ❑ Moyens techniques et financiers ne suivant pas toujours ❑ Nécessité d’une transformation structurelle des approches de gestion des EP ❑ Une piste prometteuse : la modélisation couplée hydrologique/hydraulique
  7. 7. 7 INTRODUCTION Solutions logicielles pour la modélisation/gestion des EP Plus de détails: https://stormwater.pca.state.mn.us/index.php/Available_stormwater_models_and_selecting_a_model
  8. 8. 8 PRESENTATION DU MODELE EPA-SWMM Le modèle SWMM (EPA)
  9. 9. 9 PRESENTATION DU MODELE EPA-SWMM Historique et développement 1971 - SWMM 1 (M&E, UF, WRE) 1975 - SWMM II (UF) 1981 - SWMM 3 (UF & CDM) 1983 - SWMM 3.3 (PC Version) 1988 - SWMM 4 (UF & CDM) 2005 - SWMM 5 (EPA & CDM) 2014 – SWMM 5.1 (EPA & CDM) Wayne C. Huber (SWMM Initial Lead Developer)
  10. 10. 10 DESCRIPTION DU MODELE SWMM est un modèle semi-distribué, permettant de simuler la relation pluie-débit, de façon évènementielle ou continue (sur le long terme), ainsi que les paramètres de qualité de l’eau, sur des bassins urbanisés. Il permet de suivre la quantité et la qualité du ruissellement produit par chaque sous- bassin, ainsi que le débit la hauteur d’eau et la qualité de l’eau dans chaque tuyau, canal ou cours d’eau naturel sur une simulation de plusieurs pas de temps.
  11. 11. 11 DESCRIPTION DU MODELE Capacités de modélisation ❑ Pluie variable dans l’espace et dans le temps ❑ Evaporation sur les plans d’eau ❑ Accumulation et fonte des neiges ❑ Infiltration de l’eau sur plusieurs couches de sol ❑ Percolation en aquifère peu profond ❑ Résurgence des eaux souterraines en cours d’eau ❑ Ruissellement de surface diffus et non linéaire ❑ Réseaux de drainage de toutes tailles ❑ Gestion de différentes formes de section, puits, cours d’eau naturels ❑ Modélisation des pompes, régulateurs, bassins de stockage ❑ Modélisation de divers régimes d’écoulement, courbes de remous, surcharge, eaux stagnantes ❑ Formation de polluants sur différentes occupations de sol ❑ Lessivage de polluants suivant la formation du ruissellement lors d’une averse ❑ Injection ponctuelle de polluants ❑ Routage des polluants en réseau de drainage ❑ Intégration de différentes opérations de traitement Hydrologie Hydraulique Qualité de l’eau
  12. 12. 12 UTILISATION DE EPA-SWMM Applications typiques et usages non conseillés ❑ Design et dimensionnement de composants d’un réseau de drainage des EP ❑ Cartographie et suivi des niveaux d’inondation en cours d’eau et chenaux naturels ❑ Contrôle et gestion des systèmes d’assainissement ❑ Evaluation et analyse des niveaux de pollutions et du transit de polluants en réseau de drainage ❑ Simulation du comportement d’un réseau d’assainissement sous diverses conditions (scénarios) alternatifs et prise de décision Applications typiques Limitations et usages non conseillés ❑ Non applicable aux très grands bassins versants ❑ Non applicable aux bassins versants ruraux (non urbanisés) ❑ Non applicable aux superficies cultivées sous irrigation ou aux surfaces forestières ❑ Nécessite des données d’entrée désagrégées, n’est dont pas compatible avec des données fortement agrégées (pas de temps journalier, etc.)
  13. 13. 13 PROCESSUS SIMULES PAR EPA-SWMM *RDII: Rainfall Derived Infiltration and Inflow
  14. 14. 14 ETAPES D’UN PROJET SWMM Configuration des options par défaut du projet Dessin du réseau et des composants hydrauliques Edition des propriétés des objets composant le système Définir les options d’analyse (simulation) Exécuter la simulation Visualiser les résultats
  15. 15. 15 INTERFACE DU MODELE EPA-SWMM Interface principale
  16. 16. 16 INTERFACE DU MODELE EPA-SWMM Objets visuels composant un réseau Données désagrégées de pluie Données d’occupation du sol Réseau de drainage Pièces et équipements hydrauliques
  17. 17. 17 INTERFACE DU MODELE EPA-SWMM Objets visuels composant un réseau
  18. 18. 18 INTERFACE DU MODELE EPA-SWMM Objets visuels composant un réseau
  19. 19. 19 CONCEPTUALISATION DES SOUS-BASSINS Outlet Pervious area Impervious area with depression storage Impervious area with no storage % Imperv % Zero-Imperv Superficies perméables et imperméables
  20. 20. 20 CONCEPTUALISATION DES SOUS-BASSINS Techniques alternatives de gestion des eaux pluviales (structures ou contrôles LID) Cellules de bio-rétention Jardins de pluie Toitures végétalisées Tranchées d’infiltration Surfaces pavées continues Impluviums Gouttières Noues Les structures LID (Low Impact Development practices) sont conçues pour capturer le ruissellement de surface et forcer la rétention d’eau (pour infiltration ou évaporation).
  21. 21. 21 CONCEPTUALISATION DES SOUS-BASSINS Contribution des aquifères profonds Il est possible de rattacher un aquifère à un sous- bassins, qui contribue à l’écoulement en surface par drainage de la nappe 𝑸𝑳 = 𝐴1 𝐻𝐺𝑊 − 𝐻𝐶𝐵 𝐵1 − 𝐴2 𝐻𝑆𝑊 − 𝐻𝐶𝐵 𝐵2 + 𝐴3(𝐻𝐺𝑊 ⋅ 𝐻𝑆𝑊) 𝑄𝐷 = 𝐿𝐺𝐿𝑅 ⋅ 𝐻𝐺𝑊 𝐻𝐺𝑆
  22. 22. 22 PROCESSUS DE RUISSELLEMENT EN SURFACE Fonction de production Conceptualisation de la production du ruissellement: Ruissellement de surface produit par dépassement de la capacité de stockage du réservoir sol (d > dS) Se traduira en un débit Q calculé par l’équation de Manning-Strickler Recalculé à chaque pas de temps en résolvant de façon numérique l’équation du bilan d’eau à l’échelle du sous-bassin
  23. 23. 23 PROCESSUS DE RUISSELLEMENT EN SURFACE Fonction de production L’excès de précipitation définit le débit entrant 𝑸𝒆 (𝒕) ∶ 𝑸𝒆 (𝒕) = 𝑷(𝒕) − 𝑭(𝒕) − 𝑬𝒗 (𝒕) − 𝑰𝒂 (𝒕) Le débit sortant 𝑸𝒔 (𝒕) est calculé à chaque pas de temps par l’équation de Manning-Strickler : 𝑸𝒔 𝒕 = 𝟏 𝒏 ⋅ 𝑺𝑯 𝒕 ⋅ 𝑹𝑯 𝒕 Τ 𝟐 𝟑 ⋅ 𝒊 La hauteur d’eau 𝒉(𝒕) est déduite à partir d’une équation de conservation du volume : 𝑑 𝑑𝑡 𝐴 ⋅ 𝒉 𝒕 = 𝑄𝑒 (𝑡) − 𝑄𝑠 (𝑡)
  24. 24. 24 PROCESSUS D’INFILTRATION DE L’EAU DANS LE SOL Modèles d’infiltration implémentés dans EPA-SWMM ❑ EPA-SWMM propose 5 options pour simuler l’infiltration d’eau dans le sol ❑ Ces 5 options s’appuient sur 3 modèles d’infiltration: ❑ Green & Ampt (à base physique) ❑ Horton (empirique) ❑ Curve Number (CN), basé sur le modèle empirique de ruissellement du Soil Conservation Service (SCS)
  25. 25. 25 PROCESSUS D’INFILTRATION DE L’EAU DANS LE SOL Modèles d’infiltration implémentés dans EPA-SWMM 1 - Modèle d’infiltration de Green & Ampt 𝑑𝐼 𝑡 𝑑𝑡 = 𝐾𝑆 ℎ0 − ℎ𝑓 ⋅ 𝜃𝑓 − 𝜃0 𝐼 𝑡 + 1 𝒛𝒇 : hauteur d'eau infiltrée depuis le début de l'alimentation (mm) 𝒉𝒇 : potentiel de succion au niveau du front d'humidification (mm) (hf <0) 𝒉𝟎 : hauteur d'eau au niveau de la surface du sol (mm) 𝜽𝒊 : teneur en eau initiale du sol (en %) 𝜽𝒇 : teneur en eau finale du sol (à saturation) (en %) 𝑲𝑺 : conductivité hydraulique du sol saturé (mm/h) 𝑯𝒇 : charge hydraulique (potentiel total) au niveau du front d'humidification
  26. 26. 26 PROCESSUS D’INFILTRATION DE L’EAU DANS LE SOL Modèles d’infiltration implémentés dans EPA-SWMM 2 - Modèle d’infiltration de Horton 𝒊𝒎𝒂𝒙: infiltration maximale du sol (mm/h) 𝒊𝒎𝒊𝒏: conductivité hydraulique à saturation (mm/h) 𝒌 : constante de décroissance (2-7 heures) 𝑫𝒓𝒚𝒊𝒏𝒈 𝒕𝒊𝒎𝒆 : durée d’assèchement du sol (2-14 jours) 𝑖(𝑡) = 𝑖𝑚𝑖𝑛 + 𝑖𝑚𝑎𝑥 − 𝑖𝑚𝑖𝑛 ⋅ 𝑒−𝑘⋅𝑡
  27. 27. 27 PROCESSUS D’INFILTRATION DE L’EAU DANS LE SOL Modèles d’infiltration implémentés dans EPA-SWMM 3 - Modèle d’infiltration du Curve Number (CN) 𝑰𝒂: pertes initiale (mm) 𝑷: pluie tombée (mm) 𝑺 : stock en eau du sol (mm) 𝑪𝑵: Curve Number ou potentiel de ruissellement, évolue entre 0 (perméable) et 100 (imperméable) 𝑭 : infiltration (mm) 𝑄 = 𝑃 − 𝐼𝑎 2 𝑃 + 0,8 ⋅ 𝑆 , 𝑃 > 𝐼𝑎 = 0,2 ⋅ 𝑆 𝑆 = 25400 𝐶𝑁 − 254 𝑭 = 𝑷 − 𝑰𝒂 − 𝑸
  28. 28. 28 ROUTAGE DU RUISSELLEMENT EN RESEAU Modèles de transfert des écoulements Equations de Barré de Saint-Venant Conservation de masse 𝜕𝑄 𝜕𝑥 + 𝜕𝑆 𝜕𝑡 = 0 Conservation de l’énergie 1 𝑔 𝜕𝑉 𝜕𝑡 + 1 𝑔 𝑉 𝜕𝑉 𝜕𝑥 + 𝜕𝑦 𝜕𝑥 − 𝑖 + 𝑗 = 0 Termes d’inertie Pentes de surface libre, de fond et d’énergie
  29. 29. 29 ROUTAGE DU RUISSELLEMENT EN RESEAU Modèles de transfert des écoulements Steady Flow Routing (modèle de translation simple en régime permanent et uniforme) ❑ Sommation simple des contributions des sous-bassins amont à l’entrée d’un canal. ❑ Les hydrogrammes ne subissent pas de décalage ni d’amortissement dans le temps, le stockage en réseau n’étant pas pris en compte. ❑ Il ne s’adapte pas aux réseaux maillés Kinematic Wave Routing (modèle de translation d’onde cinématique) ❑ Adapté aux écoulements uniformes, permanents ou non permanents en réseaux ramifiés/maillés ❑ Intègre l’amortissement d’hydrogrammes par la prise en compte du stockage dans le réseau. ❑ Adapté aux simulations sur le long terme en raison de sa bonne stabilité numérique, pour des pas de temps modérés (1 à 5 minutes) ❑ Ne représente pas les courbes de remous, ni les inversions de sens d’écoulement Dynamic Wave Routing (modèle de translation d’onde dynamique) ❑ Résout complètement les équations de St- Venant (1D), adapté en théorie à tous les types d’écoulement et de réseaux ❑ Intègre l’amortissement d’hydrogrammes par la prise en compte du stockage dans le réseau ❑ Adapté aux simulations en réseaux où les organes de contrôles (déversoirs, vannes, orifices) ont des effets significatifs ❑ Simule les courbes de remous, les inversions de sens d’écoulement, les écoulements à surface libre/sous pression ❑ Nécessite des pas de temps de calcul plus fins (5-30 secondes)
  30. 30. 30 REPRESENTATIONS SCHEMATIQUES Conceptualisation des conduites et canaux Sections régulières paramétrées Sections non-régulières
  31. 31. 31 REPRESENTATIONS SCHEMATIQUES Stagnation des écoulements aux nœuds (ponding)
  32. 32. 32 REPRESENTATIONS SCHEMATIQUES Connections entre conduites (Link Offset) Link Offset : Décalage du collecteur par rapport au fond du regard. ❑ La position du radier du collecteur peut être indiquée sous forme d'une hauteur au dessus du fond du regard (DEPTH) = distance entre les points 1 et 2 ❑ Ou sous forme d’une côte absolue (ELEVATION) = côte absolue du point 1
  33. 33. 33 Télécharger le modèle EPA-SWMM: https://www.epa.gov/water-research/storm-water-management-model-swmm Manuels et documentation: Manuel utilisateur Manuel d’application et exercices Manuels de reference SWMM : Hydrologie | Hydraulique | Qualité de l’eau Guide utilisateur pour la modélisation des infrastructures vertes (LID) Code Source (v5.1.015) : Moteur de Calcul | Interface Graphique Publications scientifiques faisant référence à EPA-SWAMM: https://cfpub.epa.gov/si/si_public_search_results.cfm?keyword=SWMM&sortBy=revisionDate Tutoriels vidéos: https://www.youtube.com/results?search_query=EPA+SWMM RESSOURCES ADDITIONNELLES

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