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ACADEMIE DE MONTPELLIER UNIVERSITE DE MONTPELLIER II - ORSTOM N° attribué par l

ACADEMIE DE MONTPELLIER UNIVERSITE DE MONTPELLIER II - ORSTOM N° attribué par la bibliothèque THESE présentée à l'Université des "Sciences et Techniques du Languedoc" pour obtenir le diplôme de DOCTORAT Spécialité : Mécanique, génie mécanique, génie civil Formation doctorale : Sciences de l'Eau dans l'Environnement Continental Ecole doctorale : Géosciences COMPORTEMENT ET MODELISATION HYDRAULIQUE DES ZONES BATIES EN SITUATION D’INONDATION : le cas des zones cloisonnées d’habitat individuel de Ouagadougou. par Benoît HINGRAY Soutenue le 15 Janvier 1999, devant le jury composé de : M. Michel DESBORDES M. Bernard CHOCAT M. Pierre RIBSTEIN M. Christophe BOUVIER M. Jean CUNGE Professeur, Université Montpellier II Professeur, INSA Lyon Directeur de Recherche, ORSTOM Chargé de Recherche, ORSTOM Ingénieur, SOGREAH Président Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Résumé Ce travail s’inscrit dans la problématique de la modélisation des inondations par ruissellement pluvial d’un secteur urbanisé. La caractérisation des champs d’inondation résultant d’un aléa climatique donné nécessite de modéliser différents phénomènes : la transformation des précipitations en ruissellements, la propagation des écoulements qui en résultent dans le réseau d’assainissement du secteur étudié et la circulation des flux de débordement dans le tissu urbain lorsque ce réseau est défaillant. Le travail présenté dans ce mémoire concerne la dernière de ces diverses étapes. Ses objectifs sont d’une part, de montrer dans quelle mesure il peut être nécessaire d’intégrer dans une telle modélisation le comportement hydraulique des zones bâties et, d’autre part, d’étudier la pertinence d’une modélisation hydraulique simplifiée des zones bâties cloisonnées. Pour évaluer le rôle des zones bâties sur le contrôle d’une inondation, nous comparons d’abord, en étudiant l’ouverture de différents quartiers potentiellement inondés, la transmissivité hydraulique de leur réseau de drainage principal (voirie) à celle de leur partie bâtie. Nous estimons ensuite l’influence du volume stocké par la partie bâtie inondée sur le laminage de la crue. Pour ces deux aspects, transfert et stockage, nous identifions les caractéristiques du milieu (et celles de l’aléa à l’origine de l’inondation pour l’aspect stockage) qui conditionnent l’importance des zones bâties dans le contrôle d’une inondation. Nous montrons enfin comment le rôle des zones bâties peut varier en étudiant différents types de quartiers de Ouagadougou (Burkina Faso). La modélisation des zones bâties, lorsqu’elle est nécessaire, est envisagée dans le cas particulier des zones d’habitat individuel de la ville. En situation d’inondation, les différentes propriétés qui permettent d’en modéliser le comportement hydraulique, leur stockabilité et leur pénétrabilité, sont d’abord explicitées à l’échelle de l’objet bâti élémentaire, la concession africaine. Elles permettent de définir la vulnérabilité hydraulique de la concession qui dépend aussi des caractéristiques principales de la crue dans la rue inondée adjacente. La possibilité de modéliser le comportement d’une zone bâtie cloisonnée à une échelle plus large est enfin discutée. La pénétrabilité et la stockabilité du milieu sont alors redéfinies à l’échelle du bloc de concessions. L’étude s’appuie principalement sur le relevé de pénétrabilité de différentes bandes de bâti appartenant à trois quartiers lotis ou d’habitat spontané observés en 1996 à Ouagadougou. Mots clés : Hydrologie urbaine - Inondation pluviale - Inondabilité urbaine - Modélisation conceptuelle - Changement d’échelle - Comportement hydraulique des zones bâties - Ouagadougou - Afrique. Hydraulic behaviour and modelling of built-up areas in flooding situation : the case of the populated sub-partitioned areas of Ouagadougou. This work deals with the modelling of urban flooding events caused by important runoff. It first aims at evaluating the need to take into account in such a modelling the hydraulic behaviour of the built-up areas. It aims afterwards to study the consistency of a conceptual hydraulic model of the built-up areas which are highly sub-partitioned into closed-up properties. Thanks to the study of the aperture of the flooded urban sector, the hydraulic transmissivity of its principal drainage network (roads) is compared at a first step to the transmissivity of its built-up part. Then, it is estimated how the stored volume in the flooded built-up areas affects the flood dynamics. The importance of the role played by the built-up areas in the control of the flood is initially identified by the rainfall characteristics (in terms on storage) and secondly by the medium characteristics (in terms of storage and transfer). It is finally shown how this role vary by studying different district types observed in Ouagadougou (Burkina Faso). In a second part, the possibility to model the hydraulic behaviour of the built-up areas is studied. The perviousness and the storativity of each independent hydraulic urban cell (the african concession) are first highlighted. These two physical properties are essential and sufficient to model the cell hydraulic behaviour. These properties combined with the characteristics of the flood outside the cell allow us to define the cell hydraulic vulnerability. The possibility to model the built-up areas behaviour at a larger scale is finally discussed. The perviousness and the storativity are therefore redefined at the block of concessions scale. This study is essentially based on perviousness surveys made at Ouagadougou during the 1996 rainy season in two traditional districts and one self-developing district. Sommaire I Table des matières AVANT PROPOS..............................................................................................................................14 INTRODUCTION.............................................................................................................................17 PARTIE I : INONDATIONS PLUVIALES ET MILIEU URBAIN I. LE RISQUE PLUVIAL...................................................................................................................9 I-A. L'ALÉA. ..........................................................................................................................................................................................9 I-A.1. Paramètres utilisés pour caractériser l'aléa. ...................................................................................................................9 I-A.2. Facteurs influençant l’intensité de l'aléa hydraulique...................................................................................................10 I-B. LA VULNERABILITE.................................................................................................................................................................12 I-B.1. Facteurs explicatifs de la vulnérabilité d'un site............................................................................................................12 I-B.2. Estimation des dommages : ............................................................................................................................................13 II. MODELES ET HYDROLOGIE URBAINE. ............................................................................15 II-A. LES MODELES DE RUISSELLEMENT URBAIN....................................................................................................................17 II-A.1. Introduction.....................................................................................................................................................................17 II-A.2. Les modèles de ruissellement globaux : .........................................................................................................................18 II-A.3. Les modèles spatialisés :.................................................................................................................................................19 II-A.4. Difficultés rencontrées par les modèles hydrologiques spatialisés en milieu urbain...................................................22 II-A.5. Exemples de modèles de ruissellement pour le calcul des inondations en milieu urbain :...........................................26 II-A.6. Conclusion ......................................................................................................................................................................27 II-B. LA MODELISATION DES ECOULEMENTS EN RESEAU D'ASSAINISSEMENT .............................................................28 II-B.1. Des logiciels d'écoulement en réseau d'assainissement.................................................................................................28 II-B.2. Les différentes modélisations existantes : ......................................................................................................................28 II-B.3. Informations et données requises pour l'utilisation des modèles mécanistes :..............................................................30 II-B.4. Limites des modèles mécanistes : ...................................................................................................................................31 II-B.5. Exemples de modèles d’écoulement en réseau traitant les débordements.....................................................................33 II-B.6. Conclusion. .....................................................................................................................................................................34 II-C. MODELES D'INONDATION EN MILIEU NATUREL.............................................................................................................34 II-C.1. Introduction : ..................................................................................................................................................................34 II-C.2. Les différents types de modèles d’écoulement................................................................................................................35 II-C.3. Informations requises pour les modèles d’écoulements en milieu naturel :..................................................................40 II-C.4. Validité des modèles pour les inondations en milieu urbain :.......................................................................................40 II-C.5. Les modèles hydrauliques d’inondation en milieu urbain existants :............................................................................41 II-D. CONCLUSION : QUEL MODELE POUR LES INONDATIONS EN MILIEU URBAIN ......................................................42 II-D.1. En Résumé : Des modèles actuels inadaptés aux inondations pluviales en milieu urbain. ..........................................42 II-D.2. Contraintes pour l’élaboration ou le choix d’un modèle :.............................................................................................44 II-D.3. Les implications pour une approche scientifique des inondations en milieu urbain : ..................................................44 II III- LE MILIEU URBAIN VU PAR L’EAU. ..............................................................................47 III-A. LES OBJETS HYDRAULIQUES URBAINS ELEMENTAIRES..............................................................................................47 III-A.1. Les obstacles. ..................................................................................................................................................................47 III-A.2. Les éléments drainants ...................................................................................................................................................48 III-A.3. Les éléments de stockage :..............................................................................................................................................48 III-B. DES OBJETS ELEMENTAIRES HIERARCHISES...................................................................................................................49 III-B.1. Une hiérarchie fonction de l’échelle d’observation.......................................................................................................49 III-B.2. Une hiérarchie différente du point de vue des écoulements...........................................................................................49 III-C. SIMPLIFICATIONS POSSIBLES POUR LA DESCRIPTION DU MILIEU ET DES PHENOMENES. ................................50 III-C.1. Des constantes dans le paysage urbain..........................................................................................................................50 III-C.2. Des simplifications possibles dans la modélisation des phénomènes............................................................................52 III-C.3. Conclusion. .....................................................................................................................................................................54 IV- MILIEU URBAIN ET MILIEUX ROCHEUX FRACTURES...........................................55 IV-A. ANALOGIE GEOMETRIQUE ENTRE MASSIF ROCHEUX ET MILIEU URBAIN............................................................57 IV-A.1. Les discontinuités............................................................................................................................................................57 IV-A.2. Les blocs..........................................................................................................................................................................59 IV-B. LA MODELISATION DES ECOULEMENTS EN MILIEU FRACTURE................................................................................62 IV-B.1. L’approche milieu continu..............................................................................................................................................63 IV-B.2. Modélisation discrète : Les modèles à chenaux.............................................................................................................63 IV-B.3. Modélisation couplée d’un réseau de fractures et d’un milieu poreux équivalent........................................................64 IV-B.4. Utilité des modèles précédents pour le milieu urbain....................................................................................................64 IV-C. LES QUESTIONS QUI DECOULENT DE CETTE ANALYSE................................................................................................65 PARTIE II : INFLUENCE DES ZONES BATIES SUR LA DYNAMIQUE DE CRUE V- LA MODELISATION DES ZONES D’OBSTACLES........................................................67 V-A. RELATION ENTRE CARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES ET CARACTERISTIQUES STRUCTURALES..........................................................................................................................67 V-B. ACCES AUX CARACTERISTIQUES HYDRODYNAMIQUES DES ZONES BATIES : LIMITES DES APPROCHES CLASSIQUES.............................................................................................................................68 V-B.1. Approche expérimentale. ................................................................................................................................................68 V-B.2. Approche rationnelle ou théorique.................................................................................................................................68 V-B.3. Approche conceptuelle....................................................................................................................................................69 V-C. LES APPROCHES CONCEPTUELLES. ....................................................................................................................................69 V-C.1. L’équation de continuité.................................................................................................................................................70 V-C.2. Les modèles d’écoulement ..............................................................................................................................................71 V-C.3. Le cas particulier des discontinuités importantes du milieu..........................................................................................77 V-D. CONCLUSION. ............................................................................................................................................................................78 VI- LE MILIEU ETUDIE : OUAGADOUGOU.........................................................................83 VI-A. CONTEXTE HYDRO-GEOGRAPHIQUE :................................................................................................................................83 VI-A.1. Géomorphologie. ............................................................................................................................................................83 VI-A.2. Pluviométrie....................................................................................................................................................................84 VI-A.3. Ouagadougou et les inondations :..................................................................................................................................84 VI-B. URBANISATION ET ORGANISATION SPATIALE DE LA VILLE. .....................................................................................86 VI-B.1. Urbanisation ...................................................................................................................................................................86 VI-B.2. Types de quartiers urbains :...........................................................................................................................................87 Sommaire III VI-C. LE TISSU URBAIN CORRESPONDANT A L’HABITAT INDIVIDUEL...............................................................................87 VI-C.1. Organisation du tissu urbain :........................................................................................................................................87 VI-D. DONNEES UTILISEES ET QUARTIERS ETUDIES. ...............................................................................................................89 VI-D.1. Les relevés de pénétrabilité. ...........................................................................................................................................89 VI-D.2. Autres données utilisées..................................................................................................................................................92 VI-D.3. Les quartiers étudiés :.....................................................................................................................................................92 VII- TRANSMISSIVITE DES ZONES BATIES. .......................................................................97 VII-A. CRITERES DE COMPARAISON UTILISES.............................................................................................................................98 VII-A.1. Différentes échelles d’observation du milieu. ................................................................................................................98 VII-A.2. Perméabilités partielles de bloc ou de rue.....................................................................................................................98 VII-A.3. Densités de chemins hydrauliques................................................................................................................................102 VII-A.4. Largeurs moyennes des chemins hydrauliques. ...........................................................................................................102 VII-B. ACCES AUX CRITERES DE COMPARAISON DE LA TRANSMISSIVITE.......................................................................103 VII-B.1. Détermination de la perméabilité de bande. ................................................................................................................103 VII-B.2. Densité et largeur moyenne des chemins hydrauliques. ..............................................................................................103 VII-C. PERMEABILITE DU MILIEU : RESULTATS DES ENQUETES..........................................................................................104 VII-C.1. Perméabilité totale / perméabilités partielles. .............................................................................................................104 VII-C.2. Chemins hydrauliques : densité et largeur moyenne. ..................................................................................................106 VII-C.3. Représentation spatiale de la perméabilité. .................................................................................................................108 VII-C.4. Evolution de la perméabilité en fonction uploads/Geographie/ inondation-2.pdf