Directrice des éditions : Claire de Gramont

Directeur éditorial : Thierry Kremer

Éditrice : Carole Trochu

Édition et coordination des illustrations : Alain Bouteveille

Conception de la maquette et de la couverture : Catherine Lattuca

Réalisation de la couverture : STDI (Charlène Pineau)

Mise en pages : STDI

Réalisation des illustrations : Ursula Bouteveille, Jean-Pierre Saux, STDI (Kathy Lesueur et Charlène Pineau)

Fabrication : Isabelle Fontaine

© Groupe Moniteur (Éditions du Moniteur), Antony, 2020

ISSN  : 2262-5089

ISBN papier : 978-2-281-14382-9

ISBN numérique : 978-2-281-14383-6

Avant-propos

Cet aide-mémoire constitue un abrégé des formulations hydrauliques usuelles, étendues aux matières connexes de l’hydrologie, de l’hydromorphologie… Chaque chapitre décrit de façon simple les contextes particuliers de l’hydraulique naturelle, souterraine, en surface, en obstacle, en aménagement, en réseau, en application d’énergie cinétique et mécanique.

En marge des nombreux ouvrages classiques et du livre Hydraulique appliquée précédemment publié, les développements qui sortent du cadre d’application courante, ont été réduits à l’essentiel. Les textes législatifs et normatifs (toujours plus complexes) imposant sous « la dictature » de prescriptions les règles de calcul réductrices ont été exclus.

Conçu comme un instrument de travail, cet aide-mémoire rappelle les bases indispensables et présente un condensé d’outils et de méthodes de calcul avec des exemples pratiques. Il contribuera utilement à la tâche de tous ceux qui sont en situation de diagnostics, d’aménagements hydrauliques, de conception de réseaux d’eau et d’assainissement, d’exploitations d’ouvrages, d’électropompage, etc.

Il est destiné aux techniciens et ingénieurs, en situation de maîtrise d’ouvrage, de maîtrise d’œuvre, de réalisation et d’exploitation, d’adductions d’eau potable, de réseaux d’assainissement, d’aménagements de rivière et d’hydro-environnement.

L’hydraulique au sens large se situe plus que jamais au cœur des débats sur la gestion des ressources en eaux, les conditions d’écoulements et la politique écologique. Il convient de faire face à de nouveaux enjeux dont les défis du développement durable, de la préservation des ouvrages et de l’environnement : « l’eau fait partie du patrimoine de la nation, protégeons-la ! »

Liste des sigles

BRGM : Bureau de recherches géologiques et minières

BSS : Banque du sous-sol

Cerema : Centre d’études et d’expertise sur les risques, l’environnement, la mobilité et l’aménagement

CN : Curve Number

CPU : Chaussées poreuses urbaines

CSTB : Centre scientifique et technique du bâtiment

DE : Diamètre extérieur

DI : Diamètre intérieur

DN : Diamètre nominal

EBV : Écoulement brusquement varié

EP : Eaux pluviales

ETP : Évapotranspiration potentielle

ETR : Évapotranspiration réelle

EU : Eaux usées

HMT : Hauteur manométrique totale

IDF : Intensité, durée, fréquence

IDPR : Indice de développement et de persistance des réseaux

IGN : Institut géographique national

LROP : Laboratoire régional des Ponts et Chaussées de l’Ouest parisien

MNT : Modèle numérique de terrain

NPSH : Net Positive Suction Head

PB : Polybutène

PE : Polyéthylène

PE-AL-PE : Polyéthylène-aluminium-polyéthylène

PEHD : Polyéthylène haute densité

PER : Pression d’épreuve du réseau

PE-X : Polyéthylène réticulé

PHEN : Plus hautes eaux navigables

PMA : Pression maximale admissible

PMF : Pression maximale de fonctionnement

PNS : Pression normale de service

PP : Polypropylène

PPR : Plan de prévention des risques

PPRI : Plan de prévention des risques d’inondation

PPRNP : Plan de prévention des risques naturels prévisibles

PRV : Polyester renforcé de fibres de verre

PVC : Polychlorure de vinyle

PVC-C : Polychlorure de vinyle surchloré

PVC-U : Polychlorure de vinyle non plastifié

QJX : Quantité maximale journalière

QMNA : Quantité mensuelle minimale annuelle

RNDE : Réseau national des données sur l’eau

SIG : Système d’information géographique

STP : Surface totale projetée

UTS : Unités typologiques des sols

Chapitre 1

Hydrosphère et hydraulicité

Fiche 1.01

Bilan hydrique du cycle de l’eau

Le cycle hydrologique continu transfère l’eau de l’atmosphère au sol et les mouvements hydrauliques les transmettent, au sous-sol, aux cours d’eau, puis à la mer et ainsi de suite, en lui faisant subir des transformations d’état, de quantité et de qualité (fig. 1.1). Les activités humaines affectent de façon sensible ces transformations qui tiennent un rôle dans le renouvellement des stocks, aux échelles de temps.

Fig. 1.1 Cycle hydrologique

Le cycle simplifié de l’eau est composé d’une multitude de cycles (fig. 1.2). Plusieurs fois au cours d’un même cycle, l’eau est diversement captée, pompée, traitée, consommée, rejetée et réutilisée.

On désigne alors une entrée (précipitations), une sortie (déstockages) et les volumes en mouvements par :

Fig. 1.2 Cycle de l’eau

(d’après La Synthèse écologique, P. Duvigneaud)

P : les précipitations de la période ou annuelles (en mm) ;

E : les évaporations des océans Eo, des continents Ec, et l’évapotranspiration des plantes Ep (en mm) ;

I : les infiltrations constitutives des réserves immédiates des sols, de la frange d’humidité (en mm) ;

R : les ruissellements, écoulements et rétentions superficielles ΔR (en mm) ;

Rn : les résurgences des nappes par les sources avec un déstockage des nappes ΔN (en mm) ;

S : les ressources disponibles à la fin de la période précédente avec un stockage ΔS (en mm).

Les équations simples pour le calcul du bilan hydrique, valables pour des périodes de temps données, s’écrivent :

P = E + I + R = Eo + Ec + Ep + ΔS + ΔN + ΔR

Dans le bilan hydrique, le déficit d’écoulement D (en mm) est :

D = P – E

Exemple

Avec P = 760 mm et D = 475 mm, le bilan hydrique en plaine française est en moyenne de :

E = P – D = 285 mm

Fiche 1.02

Quantification des flux d’eau en France

Considérant une pluviométrie moyenne sur le territoire français de 0,75 m/an, le volume annuel d’eau tombée est de 440 milliards de m3 ou 440 Gm3.

Cependant, environ 60 % de ce volume retourne à l’atmosphère par évaporation, ce qui laisse 170 à 180 Gm3/an s’écoulant dans les 270 000 km de cours d’eau, dont 100 Gm3 s’infiltrent vers les nappes souterraines et 170 Gm3 sont restitués aux rivières (fig. 1.3).

Fig. 1.3 Quantification du cycle de l’eau en France
(source : Le Moniteur, mai 2004)

Le bilan hydrique du sol en France (hors zones montagneuses), en hauteur d’eau annuelle, est indiqué dans le tableau 1.1.

Tab. 1.1 Bilan hydrique du sol en France hors zones montagneuses

Facteurs

Hauteur d’eau annuelle
(mm)

Précipitations

500 à 1 200

Évaporation

450 à 600

Ruissellement et écoulements

50 à 600

Infiltration moyenne

200(1)

(1) Soit 200 l · m−2

Fiche 1.03

Caractérisation hydraulique des milieux et des écoulements

La caractérisation hydraulique des milieux et des écoulements distingue :

l’exoréisme qui est le caractère des eaux d’un bassin hydrologique s’écoulant vers la mer ;

l’aréisme qui est le caractère d’une entité hydrologique privée complètement d’écoulement superficiel ; le plus souvent, il y a fuite en milieu karstique ;

l’endoréisme qui est le caractère d’un bassin-versant où l’écoulement n’atteint pas la mer ; il est généralement reçu par un boulingrin, un marais, un étang, un lac.

1Caractéristiques des structures superficielles et des sous-sols

Lors des études hydrologiques et de l’analyse des conditions de ruissellement et d’écoulement, il est primordial de replacer le site d’étude dans le contexte topographique, géologique… conforté par les cartographies, les coupes géologiques (fig. 1.4) et les renseignements issus des bases de données associées à un système d’information géographique (SIG), complétés au besoin par des sondages et essais in situ.

Fig. 1.4 Coupe géologique de la vallée de la Salmouille à Linas

Les informations sont coordonnées au sein du Réseau national des données sur l’eau (RNDE). L’identification des points d’eau souterraine : forage, puits, captage, source, se réfère au code national de la Banque du sous-sol (BSS) du Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM).

À titre indicatif, la carte de l’indice de développement et de persistance des réseaux (IDPR) du BRGM illustre les zones d’infiltration majoritaire, ou de même importance que le ruissellement, ou de refus d’infiltration.

À l’Institut géographique national (IGN), des méthodes d’analyse informatisées permettent de déterminer les coefficients d’occupation des sols à partir de la cartographie à l’échelle 1/25 000, du modèle numérique de terrain (MNT), des unités typologiques des sols (UTS)…

Le plan de prévention des risques (PPR) ou plan de prévention des risques naturels prévisibles (PPRNP) peut être monorisque ou multirisques, et porter sur diverses spécificités telles que les inondations (plan de prévention des risques d’inondation, PPRI).

Les paramètres « sol » et « sous-sol » sont appréhendés sous divers aspects, à l’aide d’un support multicouche, en adéquation avec la structure de l’organisation topologique retenue, de la géomorphologie du site, de sa pente réductrice du stockage dépressionnaire et d’infiltration (fig. 1.5).

Fig. 1.5 Schéma des paramètres nécessaires à la gestion des sols et aquifères

2Facteurs de prévention et de protection

La vulnérabilité des aquifères se définit par une appréciation non mesurable d’exposition aux phénomènes naturels ou anthropiques en jeux, notamment les pollutions entrant dans l’environnement souterrain. La vulnérabilité est donc l’évaluation de la faiblesse de la protection naturelle.

L’aléa est l’événement « perturbateur » généré, tels les lessivages des sols par les pluies ou les « processus continus » tels que les rejets domestiques ou issus d’activités qui induisent une dégradation de la qualité environnementale.

Le risque se définit comme la loi de probabilité des impacts (ou dommages) à l’échelle de toute unité hydrologique et hydraulique. Le risque dépend donc de l’aléa et du niveau de vulnérabilité, des enjeux exposés et des moyens disponibles pour y faire face. En effet, il n’y a pas de risque sans aléa et sans élément vulnérable exposé.

L’objectif de protection est exprimé à l’aide de la fréquence, de l’intensité, de la durée de l’exposition au risque. Il est possible de modéliser les transferts origine-trajet-impact de l’aléa identifié vers le cours d’eau, la nappe vulnérable, puis vers le captage d’eau potable.

Fiche 1.04

Typologie des usages de l’eau

La typologie des usages hydrauliques variés est illustrée figure 1.6.

Fig. 1.6 Structures fonctionnelles des réseaux et ouvrages selon les usages

1Demande en eau

La distinction doit être faite entre :

les prélèvements qui désignent la quantité d’eau, prélevée dans les ressources et qui est rejetée après usage ;

les consommations concernant les quantités d’eau prélevées et réellement absorbées et donc qui ne retournent pas au milieu naturel.

La demande en eau et son évolution (fig. 1.7) est une variable endogène qui dépend fortement de la situation socio-économique (des conditions du marché en l’état, en prévision et liées au développement durable).

Fig. 1.7 Demande en eau et son évolution

2Prélèvement global d’eau et consommation

La consommation globale annuelle d’eau potable par habitant est de 170 m3 environ (y compris les activités diffuses), dont seulement un tiers est affectable à l’usage domestique, soit une dose de 150 l/hab/j en moyenne.

La consommation des ménages se répartit approximativement entre :

100 l/hab/j en région Hauts-de-France à faibles activités et en rural ;

200 l/hab/j en secteur urbanisé avec peu d’activités ;

300 l/hab/j en métropole et région méditerranéenne urbanisée ;

> 300 l/hab/j en littoral touristique dense.

Fiche 1.05

Interface d’hydrologie et d’hydraulique

La topographie, la nature des sols, l’hydro-écologie… jouent le rôle d’interface en hydrologie et en hydraulique superficielles et souterraines (fig. 1.8).

On peut distinguer sous l’effet de précipitations : des hydrogrammes générés, des transferts, des résurgences…

Fig. 1.8 Processus d’interface hydrologique et hydraulique

La marée peut être un facteur important pour les niveaux de calage des prises d’eau côtières notamment. Outre son amplitude maximale, l’importance de la marée est connue par le coefficient de marée (tab. 1.2).

Tab. 1.2 Valeurs de coefficients de marée

Valeurs du coefficient

Type de marée

1

Vives-eaux ordinaires

1,20

Vives-eaux d’équinoxe(1)

0,94

Vives-eaux moyennes

0,45

Mortes-eaux moyennes

0,20

Mortes-eaux exceptionnelles

(1) Les 21 mars et 21 septembre ou jours voisins.