Etude du ruissellement de surface dans
la région de Lyss (Berne)
Travail de recherche
Département des Géosciences
Université de Fribourg
Mai 2015
Mayoraz Guillaume Superviseurs :
Chemin de Gravelone 12 Benno Staub
1950 Sion Prof. Reynald Delaloye
II
Résumé
Le ruissellement de surface est un phénomène relativement peu étudié en
Suisse qui mérite d’être plus approfondi. Ce travail est une mise en valeur des
connaissances actuelles sur le phénomène et une illustration pratique de deux
méthodes d’analyse du processus : la modélisation numérique du bureau geo7
AG et l’analyse de terrain. Il se focalise sur les zones de Dreihubel et de
Busswil bei Büren dans la commune de Lyss (Berne). La première méthode
donne un aperçu général des zones potentiellement exposées au ruissellement
dans les deux zones. Elle indique les directions d’écoulement et les surfaces
d’accumulation. La deuxième approche est plus précise car elle estime
localement les débits ruisselés et les hauteurs d’eau pour différents secteurs
des zones précitées. Les résultats mettent en évidence la variabilité de
l’intensité du phénomène en fonction de différents scénarii. De plus, ils
soulignent non seulement l’importance des particularités locales du terrain
dans la dynamique de l’écoulement mais encore la multitude des mécanismes
de formation possibles dans un même secteur. De manière générale, cette
étude s’intéresse aux conséquences du ruissellement de surface en montrant
notamment comment une mauvaise conception des infrastructures humaines
peut accentuer le phénomène. Elle propose aussi des solutions pratiques et
des recommandations qui peuvent servir d’exemple pour d’autres communes.
Mots-clés : ruissellement, modélisation, terrain, débit, hauteur d’eau
III
Table des matières
Résumé ................................................................................... I I
Table des matières .................................................................. I I I
Table des figures ..................................................................... VI
Table des tableaux ................................................................. VIII
1. Introduction .......................................................................... 1
2. Bases théoriques ................................................................... 3
2.1. L’ infi ltration .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1. Indicateurs d’analyse et de représentation de l’infiltration .......................... 3
2.1.2. Facteurs influençant l’infiltration ................................................................... 4
2.1.2.1. Type de sol ......................................................................................................... 4
2.1.2.2. Etat de la surface du sol ..................................................................................... 5
2.1.2.3. Couverture du sol ............................................................................................... 6
2.1.2.4. Topographie ...................................................................................................... 7
2.1.2.5. Intensité et durée de la pluie ............................................................................. 7
2.1.2.6. Teneur en eau initiale du sol .............................................................................. 7
2.1.2.7. Gel ...................................................................................................................... 8
2.2. Le ruissellement de surface .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1. Mécanismes de formation du ruissellement de surface ............................... 9
2.2.1.1. Ruissellement par dépassement de la capacité d’infiltration ............................. 9
2.2.1.2. Ruissellement de surfaces saturées .................................................................. 11
2.2.1.3. Ruissellement de surfaces imperméables ........................................................ 13
2.2.2. Ruissellement sur sol gelé .......................................................................... 14
2.2.3. Le développement du ruissellement .......................................................... 14
3. Présentation de la région d’étude ......................................... 16
3.1. Topographie et géologie .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2. Climat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.1. Généralités ................................................................................................. 17
IV
3.2.2. Précipitations intenses et temps de retour ................................................. 19
3.2.3. Grêle ........................................................................................................... 21
4. Méthodologie ..................................................................... 22
4.1. Modélisation du ruissellement de surface .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.1.1 Démarche .................................................................................................... 23
4.1.2. Résultat ....................................................................................................... 24
4.2. Méthode d’analyse de terrain .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2.1. Démarche ................................................................................................... 25
4.2.2. Paramètres mesurés ................................................................................... 27
4.2.2.1. Débit ................................................................................................................ 27
4.2.2.2. Hauteurs d’eau ................................................................................................. 29
4.2.3. Résultats ..................................................................................................... 29
4.2.3.1. Tableau de calcul ............................................................................................. 29
4.2.3.2. Cartographie .................................................................................................... 30
5. Etude du ruissellement de surface ........................................ 31
5.1. Choix des zones d’étude .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.1.1. Caractéristiques des zones ......................................................................... 32
5.1.1.1 Zone 1 ............................................................................................................... 32
5.1.1.2 Zone 2 ............................................................................................................... 32
5.2. Analyse des résultats de la modélisation numérique .. . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.2.1. Scénario ...................................................................................................... 32
5.2.2. Interprétation des résultats ......................................................................... 33
5.3. Analyse locale du ruissellement sur le terrain .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.3.1. Secteurs ...................................................................................................... 34
5.3.2. Scénarii ....................................................................................................... 37
5.3.3. Paramètres des sections de mesure ........................................................... 38
5.3.4. Analyse des résultats .................................................................................. 39
5.3.4.1. Secteur A Lyss .................................................................................................. 39
5.3.4.2. Secteur B .......................................................................................................... 41
5.3.4.3. Secteur C .......................................................................................................... 43
V
5.3.4.4 Secteur A Busswil .............................................................................................. 44
5.3.4.5. Secteur B Busswil ............................................................................................. 46
5.3.5 Synthèse ...................................................................................................... 48
5.3.6 Mécanismes de ruissellement possibles ...................................................... 50
6. Eléments de discussion ........................................................ 52
6.1. Choix des coeff icients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2. Méthodes .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2.1 Méthode de modélisation numérique ......................................................... 53
6.2.2. Méthode d’analyse de terrain ..................................................................... 53
6.3. Mesures de protection .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3.1. Milieu urbain ....................................................................................................... 54
6.3.2. Milieu rural .......................................................................................................... 56
7. Conclusion .......................................................................... 57
8. Bibliographie ...................................................................... 58
9. Annexes .............................................................................. 65
Annexe 1 : carte de la commune de Lyss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Annexe 2 : carte des zones d’étude .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Annexe 3 : tableaux des coeff icients de ruissellement (C) . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Annexe 4 : graphique des vitesses d’écoulement .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Annexe 5 : surface d’accumulation (pente <3%) et d’écoulement (pente
>3%) des deux zones d’études, résolution 5m (Swisstopo, 2015c). . . . . 69
Annexe 6 : carte des sols et du réseau hydrographique de la zone 1 . 70
Annexe 7 : carte des sols de la zone 2 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Annexe 8 : résultat de la modélisation de geo7 AG ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Annexe 9 : carte des secteurs de la zone 1 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Annexe 10 : carte des secteurs de la zone 2 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Annexe 11 : cartes de l ’analyse locale du ruissellement par secteurs 75
Annexe 12 : tableaux de calcul du débit par secteurs et par scénari i 79
Annexe 13 : tableau synthétique des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
VI
Table des figures
Figure 1 : la capacité d’absorption est décroissante dans le temps. fo est la capacité
d’infiltration initiale et fc la capacité d’infiltration maximale (Rivard, 1998). .................. 4
Figure 2 : capacité d’infiltration d’un sol compacté (croûte) et d’un sol poreux (Musy, 2005). .............................................................................................................................. 5 Figure 3 : phases de dégradation de la surface du sol par battance (Roche, 2012). .. 6
Figure 4 : croûte de battance dans un champ ( Dore, T). ............................................ 6
Figure 5 : capacité d’infiltration pour différents types de sols (Brooks et al., 2012). ... 8
Figure 7 : début d’un ruissellement hortonien lors d’une averse intense
(frontgewitter.de, 2014). ............................................................................................... 11
Figure 9 : les deux mécanismes de formation du ruissellement de surfaces saturées.
L’eau ruisselle à la fois par exfiltration et par contribution de la pluie (Hingray et al.,
2009). ............................................................................................................................ 12
Figure 10 : impact de l’urbanisation sur le débit et la vitesse du ruissellement
(Environnement Canada, 2013). ................................................................................... 13
Figure 11 : ravines formées par l’érosion du sol à la suite d’un ruissellement
concentré (agriculture.ch, 2011). .................................................................................. 15
Figure 12 : carte géologique au 1 : 200'000 de la région d’étude (Swisstopo, 2015a).
...................................................................................................................................... 16
Figure 13 : climatogramme de Bienne/Biel (334m) pour la période 1981-2010
(modifié d’après MétéoSuisse, 2015a). ........................................................................ 18
Figure 14 : modélisation du ruissellement de surface pour la région de Wierezwil
(Canton de Berne) et comparaison du résultat avec un événement répertorié (geo7
AG, 2010). .................................................................................................................... 24
Figure 16 : exemple de représentation du résultat sur une carte au 1 :5000. En
rouge : les surfaces contributives. En bleu : les directions d’écoulement. Les points
rouges représentent les points de mesures. Les valeurs indiquées en noir sont la
hauteur d’eau et le débit minimal et maximal (Rüttiman et Egli, 2010). ...................... 30
Figure 17 : dépotoir construit en amont de la zone d’habitation (Google, 2015). .... 33
Figure 18 : début de la mise en terre du Mööslibach. .............................................. 34
Figure 19 : surface d’accumulation du secteur B. ...................................................... 35
Figure 20 : provenance des écoulements avant la zone d’habitations. ..................... 36
Figure 21 : surface d’accumulation dans le sous-voie (Google, 2015). ..................... 40
Figure 22 : pente raide du secteur A (Google, 2015). ............................................... 41
VII
Figure 23 : surface d’écoulement le long de la route avec risque de débordement
sur la gauche. ............................................................................................................... 42
Figure 24 : dévers de la route qui dirige l’écoulement vers la droite (Google, 2015).
...................................................................................................................................... 43
Figure 25 : direction d’écoulement sur la route et zone de déversement possible
(Google, 2015). ............................................................................................................. 44
Figure 26 : habitations situées en contrebas de la route (Google, 2015). ................. 44
Figure 27 : concentration du ruissellement dans la partie aval du secteur. ............... 46
Figure 28 : entrée de garage d’une habitation située en contrebas de la rue. ......... 46
Figure 29 : remblai artificiel qui dévie l’écoulement en direction des habitations. ... 47
Figure 30 : passage de l’écoulement au travers des habitations. ............................. 48
Figure 31 : ruissellement devant l’habitation où du fumier est entreposé (Google,
2015). ............................................................................................................................ 48
Figure 32 : urbanisation de la zone de Dreihubel en 1976 (Swisstopo, 2015d). ....... 51
Figure 33 : urbanisation de la zone de Dreihubel en 2011 (Swisstopo, 2015d). ....... 51
Figure 34 : bassin de rétention avec évacuateur de trop plein à Lyss. ...................... 55
Figure 35 : voie d’eau végétalisée dans un champ (Guillou, 2008). .......................... 56
VIII
Table des tableaux
Tableau 1 : tableau des valeurs mensuelles des températures , des précipitations et
des cumuls de précipitations maximum pour Bienne/Biel (modifié d’après
MétéoSuisse, 2015a, 2015b, 2015d)……………………………………………………….18
Tableau 2 : cumuls de pluie sur 10 minutes avec les écarts types positifs et négatifs
possibles pour différents temps de retour sur le Plateau (modifié d’après Naef et
Horat, 2000)……………………………………………………………………………….......19
Tableau 3 : « hit-parade » des cumuls de pluie sur 10 minutes à la station de Lyss
pour la période 1996-2002. Les valeurs sont comptabilisées sur les dix minutes qui
suivent l’heure indiquée (adapté de OED, 2015)………………………………………....20
Tableau 4 : paramètres des sections de mesure pour chaque secteur……………….39
1
1. Introduction
En Suisse, les inondations sont les principales causes des dommages aux
infrastructures. Elles représentent 71% des sinistres pour la période 1973-2011.
(Swiss Re, 2012) dont la moitié sont causés par les ruissellements superficiels.
(geo7, 2010) La loi recommande aux cantons de publier des cartes de dangers
« crues », mais pour l’instant, elles ne prennent pas en compte le processus de
ruissellement de surface. (UDN, 2013) Certains cantons, comme Berne ou
Zurich, intègrent cependant quelques indications mais à simple titre indicatif.
Quant à l’association des établissements cantonaux d’assurance incendie, elle
n’offre que des recommandations de protection. Il y a donc une lacune en
matière de cartographie du phénomène. A l’avenir, les défis à relever seront potentiellement plus importants. En effet, il
faut s’attendre à une augmentation des surfaces exposées en raison de
l’urbanisation croissante des territoires et d’une possible intensification des
précipitations causée par le réchauffement climatique. Par conséquent, au vu
des lacunes législatives au niveau cantonal et fédéral, les communes doivent
prendre elles-mêmes des mesures en matière d’analyse, de protection et de
prévention du ruissellement de surface. Le présent travail traite de l’analyse du ruissellement de surface dans la région
de Lyss en Suisse. Il a pour objectif de vérifier sur le terrain les résultats de la
modélisation du bureau d’étude geo7 à Berne. Aussi, il se veut comme un
exemple d’application d’une méthode locale d’analyse pour les communes qui
souhaiteraient connaître l’aléa du ruissellement de surface. Cette étude vise
également à transmettre des connaissances germanophones à la Suisse
romande car il n’y a actuellement que très peu de littérature spécifique en
français à ce sujet. Les seuls documents existants sont ceux des établissements
cantonaux d’assurance incendie mais il ne s’agit là que de recommandations.
Une meilleure prise en considération de ce sujet est donc nécessaire à l’avenir
pour mieux y faire face. La première partie de ce travail est une synthèse de la problématique du
ruissellement de surface. Elle vise à répondre à des questions d’ordre général à
savoir : qu’est-ce que le ruissellement de surface ? Quels sont les paramètres
2
qui l’influencent et comment se forme-t-il ? Elle aborde notamment la notion
d’infiltration et les facteurs qui la régissent. Elle présente également les
mécanismes de formation du ruissellement, son développement et le cas
particulier du ruissellement sur sol gelé.
La deuxième partie présente tout d’abord de manière générale les
caractéristiques topographiques, géologiques et climatiques de la région de
Lyss. Ensuite, elle aborde deux méthodes qui permettent de quantifier et de
cartographier le ruissellement de surface: la méthode numérique de
modélisation de geo7 AG (2010) et la méthode d’analyse locale de Rüttiman et
Egli (2010) qui permet de calculer les hauteurs d’eau et les débits ruisselés en
différents endroits.
Finalement, la troisième partie est une analyse locale du ruissellement à Lyss
d’après les deux méthodes proposées. Elle débute par une présentation de
deux zones d’études spécifiques (Lyss et Busswil). Puis, elle interprète les
résultats de la modélisation du bureau geo7 AG pour la zone de Lyss. Enfin,
elle illustre concrètement un analyse locale du ruissellement d’après la
deuxième méthode en tentant de répondre aux questions suivantes : en quoi
certains secteurs sont plus exposés que d’autres dans une même zone
d’étude ? Quels sont les débits et les hauteurs d’eau mesurées ? Pourquoi la
zone est-elle exposée ? Quelles sont les conséquences de ce phénomène pour
les infrastructures ? Différents secteurs seront ainsi étudiés dans les deux zones
d’études selon différents scénarii. Enfin, la dernière partie ouvre une discussion
sur les résultats et les méthodes utilisés. Elle aborde également les mesures de
protection et d’atténuation qui peuvent être appliquées.
3
2. Bases théoriques
Ce chapitre présente les éléments théoriques nécessaires à la compréhension
de la problématique. Le chapitre 2.1 se focalise sur le processus d’infiltration.
Le chapitre 2.2 aborde plus en détail le phénomène du ruissellement de
surface.
2.1. L’ infi ltration
L’infiltration se définit comme étant le processus d’absorption de l’eau par les
couches superficielles du sol qui se produit lorsqu’il y a des précipitations ou
une submersion. Il s’agit d’un élément essentiel à la compréhension du
processus de ruissellement car c’est lui qui détermine son ampleur (Rivard,
1998). Son analyse permet donc de déterminer la part restante des
précipitations qui entraîne le ruissellement de surface. Ce sous-chapitre
présente tout d’abord les indicateurs d’analyse et de représentation de
l’infiltration (2.1.1), puis il s’articule autour des facteurs qui influencent
l’infiltration (2.1.2) et finalement, aborde le cas particulier des sols gelés (2.1.3).
2.1.1. Indicateurs d’analyse et de représentation de
l’ infi ltration
Trois paramètres essentiels sont utilisés pour décrire le flux d’eau qui pénètre
dans le sol. Il y a tout d’abord la conductivité hydraulique K, exprimée en m/s-1,
qui représente l’aptitude d’un milieu à laisser passer un fluide. (Musy, 2005)
Elle dépend principalement de la porosité du sol (micropores, macropores).
(Calvet, 2003) La conductivité augmente à mesure que la teneur en eau du sol
s’élève jusqu’à atteindre la conductivité hydraulique à saturation Ks. Cette
deuxième notion correspond au flux d’eau constant en [mm/h] ou [m/s] qui
transite lorsque le milieu est saturé. La capacité d’infiltration est la dernière
notion élémentaire. Elle se définit comme « le flux maximal que le sol peut
absorber pendant une période déterminée » (Anctil et al., 2012 : 112) et se
mesure en [mm/h]. Elle n’est cependant pas immuable et diminue avec le
temps comme le montre la figure 1.
4
Figure 1 : la capacité d’absorption est décroissante dans le temps. fo est la capacité d’infiltration initiale et fc la capacité d’infiltration maximale (Rivard, 1998).
La figure 1 représente le modèle d’infiltration de Robert Elmer Horton (1933)
qui est le plus simple pour illustrer le processus. Il présume que la totalité de la
pluie peut s’infiltrer à condition que le sol ne soit pas saturé et que l’intensité
de la pluie ne dépasse pas la capacité d’infiltration, auquel cas une fine couche
d’eau se formerait à la surface et un ruissellement s’initierait. Cependant, il ne
tient pas compte des conditions initiales d’humidité du sol. Il serait dès lors
préférable de se référer au modèle de Green-Ampt (1911) qui intègre ce
paramètre. En effet, ce dernier est basé sur la loi de Darcy qui explique le
mouvement de l’eau dans le sol. Il part du principe que le front humide en
profondeur qui sépare le sol humide du sol sec, varie en fonction de la teneur
en eau initiale du sol (Rivard, 1998).
2.1.2. Facteurs influençant l ’ infi ltration
2.1.2.1. Type de sol
La porosité et la granulométrie influencent la capacité d’infiltration d’un sol et
plus particulièrement sa conductivité hydraulique. Par exemple, les sols
perméables tels que les graviers, ont une grande perméabilité K, comprise
entre 10-2 et 10-4 m/s-1. Par contre, limons fins et argiles, très peu perméables,
voire imperméables, ont une valeur K inférieure à 10-7 m/s-1 (Calvet, 2003).
5
2.1.2.2. Etat de la surface du sol
La capacité d’infitration d’un sol est fortement entravée si ce dernier est
compacté en raison d’une surexploitation agricole ou de la formation d’une
croûte de battance (figure 2) (Musy, 2005).
Figure 2 : capacité d’infiltration d’un sol compacté (croûte) et d’un sol poreux (Musy, 2005).
La croûte de battance se forme par désagrégation de la surface du sol. En
effet, les gouttes de pluie possèdent une certaine énergie cinétique en
fonction de leur taille et de leur vitesse de chute. Elles modifient l’état de la
surface du sol en projetant des particules au loin et les interstices alentours se
bouchent, ce qui rend le sol imperméable (figure 3). Dès lors, après une
averse, la croûte de battance est généralement bien visible (figure 4) (Pech,
1998).
6
Figure 3 : phases de dégradation de la surface du sol par battance (Roche, 2012).
Figure 4 : croûte de battance dans un champ ( Dore, T).
Ce phénomène affecte surtout les sols des régions semi-arides et les surfaces
agricoles en raison de leur faible couvert végétal. En outre, les sols limoneux
sont particulièrement exposés lorsqu’ils ont des carences en argile et humus.
Néanmoins, la battance ne peut se produire que lorsque l’intensité d’une
averse est comprise entre 30 et 40 mm/h (Roche, 2012).
2.1.2.3. Couverture du sol
La végétation favorise en premier lieu l’infiltration, car les racines créent des
macropores qui augmentent la conductivité hydraulique du sol. Elle peut
d’ailleurs fortement varier en fonction de la densité et du type de végétation.
(Rivard, 1998) La transpiration des plantes diminue également le taux
d’humidité des sols par assèchement. (Nicolas, 2010) Enfin, les feuilles des
plantes ralentissent les gouttes de pluie dans leur chute, ce qui protège le sol
de la battance. (Musy, 2005)
7
2.1.2.4. Topographie
En général, l’infiltration diminue à mesure que la pente augmente car l’eau
ruisselle sans avoir le temps d’être absorbée. (Nicolas, 2010) Geo7 (2010)
suppose que jusqu’à 36 %, une pente peut absorber totalement la pluie. Entre
26 et 35 %, cette capacité est réduite de moitié et au-delà, elle n’est plus
possible. Elle dépend toutefois de la couverture en végétation du sol. En effet,
pour une même pente, l’infiltration est plus importante sur un sol de forêt que
sur une culture orientée dans le sens de la pente. D’ailleurs, sur ce dernier type
de surface, un faible ruissellement peut se produire même avec une pente de
0.5% (Service de l’environnement, Fribourg, 2013). Cependant, Nicolas (2010)
soutient que l’infiltration augmente avec la pente. En effet, l’érosion
provoquée par le ruissellement incise le sol de façon croissante, ce qui le rend
plus perméable.
2.1.2.5. Intensité et durée de la pluie
Lorsque l’intensité de la pluie augmente et que le sol est saturé, l’infiltration
augmente aussi. En effet, les pluies de forte intensité et l’eau qui s’accumule
en surface ont tendance à augmenter le flux d’eau dans les macropores (Alaoui
et Weingartner, 2009). Nicolas (2010) affirme que le régime des précipitations a aussi une influence
sur la capacité d’infiltration du sol car plus une pluie est forte et de courte
durée, plus l’infiltration est réduite. A contrario, une pluie durable avec une
faible intensité favorise l’infiltration pour autant que le sol ne soit pas saturé.
2.1.2.6. Teneur en eau initiale du sol
La capacité d’infiltration du sol est faible lorsque sa teneur en eau est élevée et
que la conductivité hydraulique atteint sa valeur de saturation, mais elle est
importante lorsque le sol est sec. (Anctil et al., 2012) L’eau pénètrant plus en
profondeur en raison des fissures dans le sol et des forces d’absorption plus
élevées. (FAO, 1990) Le taux d’humidité peut être évalué grâce aux indices de
précipitations antécédentes qui se basent sur la somme pondérée des
quantités de pluie des derniers jours. (Musy,2005)
8
2.1.2.7. Gel
Le gel saisonnier se définit comme étant « la tranche supérieure du sol gelant
pendant l'hiver et dégelant lors du printemps ou de l'été suivant » (Unil, 2009 :
1). En général, sa profondeur de pénétration sur le Plateau est de 80 cm.
(Creabeton, 2011) Dingman (1975) et Emerson (1993) reconnaissent deux types principaux de gel
saisonnier :
1. Le gel béton « concrete frost » - le sol est saturé, totalement gelé et il
peut contenir des lentilles de glaces.
2. Le gel granulaire «granular frost » - le sol n’est pas saturé et les petits
cristaux de glace se fixent et se mélangent avec des fragments de sol.
La capacité d’infiltration dépend essentiellement du taux d’humidité du sol lors
du refroidissement. En effet, s’il est saturé, la glace remplit tous les interstices
du sol, ce qui le rend imperméable. La capacité d’infiltration est alors infime et
constante. Par contre, si le taux d’humidité est plus faible, le sol reste poreux et
sa capacité d’infiltration est croissante. Cette augmentation est due à
l’élargissement des pores lors de la fonte de la glace en cas de précipitations
(figure 5) (Brooks et al., 2012).
Figure 5 : capacité d’infiltration pour différents types de sols (Brooks et al., 2012).
9
2.2. Le ruissellement de surface
Ce phénomène se produit lorsque l’eau ne peut pas s’infiltrer dans le sol. Ce
chapitre présente pour commencer les mécanismes de formation du
ruissellement (2.2.1), puis il aborde le ruissellement sur sol gelé (2.2.2). Enfin, la
dernière partie présente le développement du ruissellement (2.2.3).
2.2.1. Mécanismes de formation du ruissellement de
surface
Pech (1998) distingue trois mécanismes principaux :
1. Ruissellement par dépassement de la capacité d’infiltration
2. Ruissellement de surfaces saturées
3. Ruissellement de surfaces imperméables
2.2.1.1. Ruissellement par dépassement de la capacité
d’infi ltration
Ce modèle d’explication est sans doute le plus connu et le plus utilisé en
hydrologie. Développé par Horton en 1945, il démontre qu’un mince filet
d’eau se forme à la surface du sol lorsque l’intensité de la précipitation est
supérieure à la capacité d’infiltration (Pech, 1998). Il se base sur le principe
d’une capacité d’infiltration décroissante du sol avec le temps (cf. chapitre
2.1.1). L’humidité des sols a donc ici une grande influence sur le début du
processus. L’évaluation des conditions d’antécédence d’humidité du sol est
donc importante, car elle permet d’évaluer le temps de submersion (temps
entre le début de l’averse et l’amorce du ruissellement). Ce dernier est ainsi
plus court si le sol est humide et si l’intensité de la pluie est forte. Par
conséquent, tant que l’intensité d’une averse ne dépasse pas la capacité
d’absorption du sol, l’eau pénètre en profondeur. Par contre, lorsque l’intensité
dépasse cette capacité d’absorption, l’excédant d’eau s’accumule en surface et
10
un mince filet d’eau se forme. C’est le ruissellement hortonien. Le volume
d’eau écoulé est alors égal à la pluie nette (pluie qui n’est pas infiltrée) (figure
6) (Musy, 2005).
Figure 6 : volume d’eau ruisselé au cours d’une averse en fonction du régime d’infiltration du sol. L’axe y représente à la fois l’intensité de la pluie et la capacité d’absorption [mm/h] (Musy,
2015).
Le ruissellement hortonien se rencontre principalement dans les régions semi-
arides ou méditerranéennes, car les sols de ces régions possèdent souvent une
faible capacité d’infiltration. En effet, ils sont souvent compactés ou recouverts
d’une croûte avec peu de végétation (Chaponnière, 2005). Des pluies de forte
intensité peuvent alors provoquer un ruissellement très important qui peut
atteindre 80% des précipitations dans certaines régions méditerranéennes.
(Girard et al., 2011) Cependant, dans les régions tempérées, l’intensité des
précipitations peut parfois aussi être supérieure à la capacité d’infiltration des
sols, quand bien même ces derniers ont des taux élevés d’absorption. (Musy,
2005) C’est le cas en été lors d’intenses averses orageuses (figure 7).
11
Figure 7 : début d’un ruissellement hortonien lors d’une averse intense (frontgewitter.de, 2014).
2.2.1.2. Ruissellement de surfaces saturées
Ce type de ruissellement se rencontre sous les climats tempérés et humides où
les sols végétalisés ont souvent de bonnes capacités d’infiltration. Il est
provoqué par une saturation des horizons supérieurs du sol et survient
principalement dans les zones hydromorphes où la nappe est proche de la
surface (nappe perchée, nappe temporaire affleurante). Dans un premier
temps, les précipitations abondantes diminuent la capacité d’infiltration des
sols et engendre une remontée du niveau de la nappe (Musy, 2005). Cette
saturation par le bas produit alors un ruissellement de surface saturée (figure
8). L’écoulement se produit à la fois par l’exfiltration de la nappe et par les
précipitations qui tombent sur le sol saturé (figure 9). Dans un deuxième
temps, le filet d’eau peut s’infiltrer dans des zones non saturées plus en aval ou
alors directement rejoindre un cours d’eau. S’il participe à l’écoulement d’une
rivière ce type de ruissellement est appelé ruissellement de surfaces
contributives (Saulnier, 2012).
12
Figure 8 : ruissellement de surfaces saturées suite à de fortes pluies dans le canton de Zurich
(2008, Schlieren, C.).
Figure 9 : les deux mécanismes de formation du ruissellement de surfaces saturées. L’eau ruisselle à la fois par exfiltration et par contribution de la pluie (Hingray et al., 2009).
Sous les climats tempérés, les deux types de ruissellement présentés ci-dessus
peuvent se produire à certaines périodes de l’année. En été, c’est
principalement le ruissellement hortonien qui survient car le sol est sec et
l’intensité des pluies dépasse souvent la capacité d’infiltration. Lors des
périodes de précipitations abondantes par contre, il se produit un
ruissellement de surfaces saturées car les sols humides ne peuvent plus stocker
d’eau (Hingray et al., 2009).
13
2.2.1.3. Ruissellement de surfaces imperméables
L’urbanisation impacte fortement la capacité d’infiltration naturelle des sols. En
effet, les surfaces imperméables (routes, toits, parkings) augmentent
incontestablement le débit d’eau ruisselé et la vitesse de l’écoulement. Le
débit de point est ainsi atteint plus rapidement, son amplitude est plus forte et
le volume d’eau total est plus important (figure 10) (Rivard, 1998). Par
conséquent, le risque de pertes humaines ou dégâts matériels s’accroît
également à mesure que l’urbanisation progresse, si des mesures de
protection ne sont pas prises.
Figure 10 : impact de l’urbanisation sur le débit et la vitesse du ruissellement (Environnement Canada, 2013).
Le coefficient de ruissellement R est utilisé pour évaluer le degré
d’imperméabilisation d’une surface et pour calculer les débits ruisselés. Il
exprime « la fraction de la pluie qui ruisselle sur une surface donnée » (Brière,
2012 : 231). Sa valeur varie entre 0 et 1. Elle dépend du type de surface, de la
pente du terrain, de l’intensité de la pluie, du taux de saturation du sol et des
éventuelles zones de stockage. (Rivard, 1998) L’annexe 3 fournit des exemples
de valeurs en fonction des caractéristiques du terrain.
Ensuite, il faut savoir que le ruissellement urbain ne provient pas toujours du
ruissellement en surface. En effet, lors d’intenses précipitations de courte
durée, les systèmes d’évacuation peuvent être rapidement saturés car le 80 %
de l’eau de pluie des surfaces imperméables va dans les canalisations. (PNR 61,
2015) En Suisse, le dimensionnement des systèmes d’évacuation des eaux
14
pluviales est calculé sur la base d’une pluie de 10 minutes qui survient tous les
5 ans. (SEn Fribourg, 2013) Pour des événements avec des temps de retour
supérieurs le système est donc surchargé, ce qui provoque des débordements.
Le système ne jouant plus son rôle, l’eau ruisselle en surface. Des inondations
de caves et de rues sont alors possibles. De plus, le déversement des eaux
usées dans les eaux superficielles provoque une pollution des écosystèmes et
menace la santé des personnes. En principe, l’Office fédéral de
l’environnement tolère ces débordements à faible fréquence et sur de courtes
périodes, pour autant que des mesures d’atténuation soient prises (OFEFP,
2002).
2.2.2. Ruissellement sur sol gelé
Il se produit à la suite de précipitations ou alors de fonte des neiges dans les
régions qui connaissent un gel saisonnier. (Neboit, 1991) Dingman (1975)
affirme que si le sol est gelé en surface, il se produit à la fois un ruissellement
hortonien et de surface saturée. Le premier cas n’est possible que lorsqu’il y a du « concrete frost » dans le sol.
En effet, comme le sol est saturé et quasi imperméable, l’intensité de la pluie
sera toujours plus grande que la capacité d’infiltration. Par contre si le sol est
formé d’un gel granulaire « granular frost », sa capacité d’infiltration est
suffisante pour ne pas provoquer un ruissellement (Dingman, 1975). Le deuxième cas est possible dans les deux types de gel dès le moment où la
glace se met à fondre. En effet, le sol n’étant pas totalement imperméable, une
partie de l’eau de pluie peut quand même s’infiltrer. La glace contenue dans le
sol se met alors à fondre et l’eau percole plus en profondeur. Si la nappe est
assez proche, son niveau augmente jusqu’à atteindre la surface du sol. Le
ruissellement qui en découle se fait alors par exfiltration de la nappe
(Dingman,1975).
2.2.3. Le développement du ruissellement
Le ruissellement discontinu est la première phase du développement du
ruissellement en surface. Il se produit lorsque l’intensité de la pluie dépasse la
capacité d’infiltration du sol. Des flaques superficielles se forment mais l’eau ne
se déplace pas encore. Si la pluie continue, le flaquage s’étend et un réseau de
15
petites rigoles se met en place. Le ruissellement est encore peu énergique car
il atteint seulement 1 à 2 cm de profond pour 20 à 30 cm de large. « Il exerce
une sorte de balayage à la surface du sol, transportant des particules sur
quelques mètres jusqu’au premier obstacle » (IUCN, 1996 : 85). Enfin, si le filet
d’eau prend de la vitesse, il se forme un ruissellement concentré. Il possède
alors une force suffisante pour inciser le sol et creuser des ravines (figure 11)
(IUCN, 1996).
Figure 11 : ravines formées par l’érosion du sol à la suite d’un ruissellement concentré (agriculture.ch, 2011).
16
Dépôts postglaciaires
Moraine du Würm
Drumlin
Moraine Vortoss-Schotter
Molasse du Tertiaire
3. Présentation de la région d’étude
La commune de Lyss est située sur le Plateau suisse, dans le canton de Berne,
proche de l’agglomération de Bienne. Elle inclut la ville de Lyss et la localité de
Busswil bei Büren (cf. annexe 1). Ce chapitre présente tout d’abord la
topographie et la géologie de la région (3.1) puis son climat, avec un focus sur
les précipitations intenses (3.2).
3.1. Topographie et géologie
La ville de Lyss se trouve à 444 mètres d’altitude. Elle est bâtie à la fois sur les
cônes de déjection du Gräntschelbach, du Mööslibach et du Heilbach et sur la
plaine alluviale de l’Ancienne Aar. En effet, tout le cours a été dévié plus en
amont par un canal pour rejoindre le lac de Bienne afin de limiter l’impact des
inondations. A l’Est, la ville est bordée de collines dont l’altitude varie entre
490 et 523 mètres. La localité de Busswil bei Büren se trouve également sur la
plaine alluviale à une altitude de 437 mètres environ. Au sud-est et à l’est,
deux collines d’environ 471 mètres surplombent la ville (Géoportail fédéral,
2015).
Figure 12 : carte géologique au 1 : 200'000 de la région d’étude (Swisstopo, 2015a). D’après la figure 12, la géologie de la région est peu diversifiée car il y a
essentiellement de la molasse du Tertiaire sur laquelle s’est déposée une
moraine du Würm. Il reste également des traces d’une moraine plus vieille
appelée Vortoss-Schotter qui repose sous celle du Würm. A Busswil bei Büren,
trois drumlins témoignent de cette ancienne période glaciaire. Enfin, la partie
17
ouest est une plaine alluviale remplie de dépôts postglaciaires (Swisstopo,
2015a).
3.2. Climat
3.2.1. Généralités
La commune de Lyss ne possède pas de station météorologique officielle de
MétéoSuisse. Il faut donc se référer à la station de Bienne/Biel (12 km au
nord/ouest de Lyss) pour avoir une estimation des moyennes mensuelles des
températures et des précipitations. Cependant, pour des valeurs de pluie plus
spécifiques à la zone d’étude, l’ancienne station de Lyss et celle encore en
fonction de Kappelen fournissent des données plus précises. La première offre
des valeurs par intervalle de 10 minutes pour la période 1991-2002 et la
deuxième (4.4 km au sud-ouest de Lyss) par intervalle de 10 minutes et 1
minute. (OED, 2015)
La figure 13 et le tableau 1 présentent les variables climatiques de base pour la
station de Bienne/Biel située à 334 mètres. La température moyenne annuelle
est de 9.9°C pour la période 1981-2010. (MétéoSuisse, 2015a) A Lyss, elle est
probablement quelque peu inférieure car d’une part elle se situe à 444 mètres
environ et d’autre part elle est moins influencée par le lac de Bienne, plus
éloigné. En ce qui concerne les précipitations, le cumul annuel est de 1187
mm. (MétéoSuisse, 2015a) Il s’agit donc d’une région équilibrée ou
modérément sèche en comparaison avec d’autres endroits de Suisse.
(Géoportail fédéral, 2015) Les valeurs sont semblables à celles de Lausanne
(1181 mm) mais beaucoup plus élevées que celles de Sion par exemple (603
mm) pour la même période. Le mois de décembre est le plus pluvieux (117.1
mm) et avril le plus sec (78.8 mm) (MétéoSuisse, 2015a). Les mois d’été sont
aussi humides et plus particulièrement août. Il s’agit de la période orageuse au
cours de laquelle d’importants cumuls de précipitations peuvent tomber en
peu de temps. Enfin, il arrive que certains mois soient beaucoup plus pluvieux
que la moyenne comme le montrent les cumuls mensuels maximaux du
tableau 2. En outre, mars 2001 et septembre 1984 ont présenté les écarts les
plus importants à la moyenne pour la période 1981-2010. (Météosuisse,
2015b)
18
Figure 13 : climatogramme de Bienne/Biel (334m) pour la période 1981-2010 (modifié d’après MétéoSuisse, 2015a).
Tableau 1 : tableau des valeurs mensuelles des températures , des précipitations et des cumuls de précipitations maximum pour Bienne/Biel (modifié d’après
MétéoSuisse, 2015a, 2015b, 2015d).
T°#moyenne#(C°)
Précip.#moyenne#(mm)
Précip.#max#(mm)
Ecart#précip.#max#à#la#moyenne#
(%)
Janvier 0.7 101.1 245.4((((((((((1995)
242.7
Février 1.6 87.8 233.9(((((((((1990)
266.4
Mars 5.5 88.9 284.3((((((((((2001)
319.8
Avril 9.5 78.8 173.7(((((((((1986)
220.4
Mai 14 100.1 208.9(((((((((1983)
208.7
Juin 17.4 99.5 203.7(((((((((1990)
204.7
Juillet 19.7 102.3 168.3((((((((((1982)
164.5
Août 18.9 113 257.1((((((((((2007)
227.5
Septembre 14.8 97.3 276(((((((((1984)
283.7
Octobre 10.3 103.7 279.5(((((((((1981)
269.5
Novembre 4.8 97.7 235.8(((((((((2002)
241.3
Décembre 1.8 117.1 276.7(((((((1981)
236.3
Année 9.9 1187 1575.1((((((((1981)
132.7
19
3.2.2. Précipitations intenses et temps de retour
L’analyse des précipitations intenses est utile pour comprendre le processus de
ruissellement et plus particulièrement celui du type hortonien. Pour évaluer les
intensités maximales possibles dans la région, il faut se référer au mandat
16/95 rédigé par l’Union des professionnels suisses de la route. (Naef et Horat,
2000) Ce document donne les intensités de pluie en [mm/h] et leur temps de
retour (probabilité qu’une pluie d’intensité X s’abatte toutes les Y années) pour
différentes régions de Suisse. Les valeurs ont été converties en [mm/10min]
pour se représenter plus facilement les quantités de pluie. Les cumuls de pluie
sur 10 minutes et les domaines d’incertitude pour la région du Plateau sont
représentés dans le tableau 2.
T retour 0.5 1 2 5 10 20 Ecart + 8.15 10.57 13.1 16.59 19.66 21.2
moyenne 7.65 10.11 12.56 15.82 18.3 20.71
Ecart -‐ 7.16 9.64 12.01 15.05 16.94 20.22
Tableau 2 : cumuls de pluie sur 10 minutes avec les écarts types positifs et négatifs possibles pour différents temps de retour sur le Plateau (modifié d’après Naef et Horat, 2000).
Il est donc possible que d’importantes quantités de pluie s’abattent dans la
région. En comparaison, en Suisse, le record de pluie mesuré en 10 minutes
est de 33.6 mm à Locarno (TI) en août 2003. (MétéoSuisse, 2013) Le tableau 3
illustre quelques-uns des plus importants cumuls de pluie sur 10 minutes
relevés à la station de Lyss entre 1996 et 2002. Les valeurs antérieures ne sont
pas représentées car elles sont disponibles uniquement par intervalles de 24
heures. (OED, 2015) Par conséquent, il est tout à fait possible et même
probable que ce ne soit pas les cumuls les plus importants.
20
Date Heure Cumul (mm)
05.06.00 18:00 10.8
24.06.02 02:50 10.3
16.07.02 01:40 9.2
13.06.00 21:30 8.1
16.05.97 18:50 7.9
Tableau 3 : « hit-parade » des cumuls de pluie sur 10 minutes à la station de Lyss pour la période 1996-2002. Les valeurs sont comptabilisées sur les dix minutes qui suivent l’heure
indiquée (adapté de OED, 2015).
Les deux plus hautes valeurs de cette période correspondent à des temps de
retour annuels. Par ailleurs, un autre événement de précipitation intense a eu
lieu à Kappelen. Le 7 juin 2002, la station a enregistré un cumul de 16.4 mm en
10 minutes. (OED, 2015) D’après le tableau 2, Il s’agit d’une valeur qui est
atteinte au moins une fois tous les cinq ans.
La station de Neuchâtel située à 43 km de Lyss possède des données pour une
période plus étendue d’au moins 30 ans. Elle permet de se rendre compte des
valeurs maximales mesurées dans les alentours. Ainsi, les plus importants
cumuls en 10 minutes au cours de la période 1980-2015 sont 28.9 mm en 10
minutes en août 1983 et 20.3 mm en juin 1996. (MétéoSuisse, 2015c) D’après
le tableau 2, ces valeurs ont un temps de retour nettement supérieur ou égal à
20 ans. En outre, la première valeur est quasi aussi élevée que le record
national de 33.6 mm détenu par Locarno. Ces données montrent donc que des
précipitations très intenses peuvent se produire dans la région de Lyss.
Pour conclure ce chapitre, il est important de retenir que les valeurs peuvent
être parfois sous-estimées ou surestimées. En effet, une bonne mesure des
précipitations dépend non seulement du pluviomètre lui même mais
également de l’environnement dans lequel il est placé. Le vent par exemple
dévie les gouttes de pluie. C’est pourquoi les valeurs peuvent être erronnées
(VSA, 1997).
21
3.2.3. Grêle
La grêle est un facteur qui aggrave le ruissellement lors de fortes
précipitations. En effet, elle obstrue les regards d’évacuation ce qui amplifie les
écoulements en surface.
La région de Lyss est exposée aux chutes de grêle. Stucki et Egli (2007) ont
calculé des diamètres de grêlons minimaux pour différents temps de retour
pour la région du Plateau centre. Chaque année, il est donc possible que des
grêlons de taille supérieure ou égale à 1 cm frappent la région. Ceux dont la le
diamètre est supérieur ou égal à 4 cm ne tombent par contre qu’une fois tous
les 100 ans (Stucki et Egli, 2007).
22
4. Méthodologie
Après avoir défini les deux méthodes utilisées pour quantifier et cartographier
le ruissellement (4.1 et 4.2), ce travail se focalise sur l’analyse du ruissellement
de surface dans la région de Lyss. La démarche débute par une délimitation de
deux zones d’études (Lyss et Busswil) (5.1). Ensuite, il s’agit d’analyser le
ruissellement d’après les résultats de la modélisation du bureau geo7 AG
uniquement pour la zone de Lyss (5.2). Enfin, la dernière partie est une analyse
locale du ruissellement d’après la méthode de Rüttiman et Egli (2010) (5.3). Les
débits et les hauteurs d’eau sont calculés en différents secteurs des deux zones
d’étude pour des scénarii préétablis.
Ce chapitre présente tout d’abord de façon synthétique le principe de
modélisation de geo7 AG (2010) (4.1). Ensuite, il aborde la méthode d’analyse
locale de Rüttiman et Egli (2010) qui est utilisée sur le terrain à Lyss (4.2).
4.1. Modélisation du ruissellement de surface
La méthode de modélisation du ruissellement suivante a été développée par le
bureau geo7 AG à Berne. Elle se base sur l’extension FloodArea HPC du
logiciel ArcGIS. (geomer GmbH, 2014) C’est un modèle hydrodynamique qui
permet notamment d’évaluer les zones inondées, les hauteurs d’eau ainsi que
les directions d’écoulement pour différents scénarii de précipitations. (geomer
GmbH, 2014) Geo7 AG (2010) préconise tout d’abord d’avoir à disposition les données de
base suivantes pour pouvoir effectuer la modélisation : 1. Un Modèle Numérique de Terrain (MNT) d’une résolution miminale de 2
mètres environ pour la topographie (SwissALTI3D par exemple).
2. Un hyétogramme qui représente l’évolution de l’intensité de la pluie au
cours du temps (Musy, 2005).
3. Un modèle numérique du paysage (SwissTLM/Vector25).
23
4.1.1 Démarche
La modélisation se déroule ensuite en six étapes : Pour commencer, geo7 AG (2010) suggère de réajuster le modèle numérique
de terrain. En effet, les bâtiments par exemple, ne sont pas présents sur le
MNT mais ils sont des obstacles au ruissellement et doivent donc être intégrés.
Ensuite, les cours d’eau sont rabaissés à une profondeur de 2000 mètres car
dans cette modélisation, les débordements ne sont pas pris en compte. L’eau
qui s’y écoule est considérée comme perdue. Les voies de communication sont
également approfondies de 50 cm puisqu’elles canalisent le ruissellement.
Toutes les autres petites structures (trottoirs, murs) qui modifient l’écoulement
peuvent être ajoutées au MNT, surtout si la modélisation se fait à petite
échelle. Les systèmes d’évacuation des eaux peuvent également être intégrés
pour des événements de temps de retour de moins de 5 ou 10 ans (geo7 AG,
2010).
La deuxième étape consiste à choisir un scénario de pluie, car le ruissellement
varie en fonction de l’intensité et du régime de précipitation. La simulation
peut ainsi être paramétrée pour une pluie de courte durée ou de longue durée
avec des intensités constantes ou variables. Il est recommandé de prendre des
pluies qui surviennent une fois chaque 50 ou 100 ans. D’une part pour que les
surfaces exposées au ruissellement soient relativement bien visibles, d’autre
part parce que de tels événements sont susceptibles de se produire au moins
une fois au cours de la durée de vie d’une maison (geo7 AG, 2010).
La troisième étape consiste à simplifier les surfaces du modèle numérique du
paysage en six classes de surfaces : les bâtiments, les surfaces imperméables,
les surfaces agricoles, les jardins, le réseau hydrographique et les forêts. Si les
données sont en format vectoriel, il faut les transformer en format raster pour
que le ruissellement puisse être calculé pour chaque cellule en fonction de ses
caractéristiques (capacité d’absorption, pente, coefficient de rugosité etc.)
(geo7 AG, 2010).
Il faut ensuite attribuer un volume de stockage à chaque catégorie de surface
en fonction de sa pente. Il est exprimé en [mm] et peut être adapté en fonction
du scénario choisi, notamment si la simulation tient compte des conditions
24
d’antécédence d’humidité. En outre, il faut ajouter un coefficient de rugosité
de Strickler (kST) pour chaque surface. Ce dernier indique en m1/3/s la résistance
d’un liquide en fonction de la surface sur laquelle il s’écoule. (Piégay et al.,
2003) Ce paramètre dépend normalement de la profondeur d’eau mais il est
souvent simplifé car les valeurs varient uniquement en fonction des types de
surfaces. Les routes et autres surfaces imperméables ont des valeurs proches
de 70 m1/3/s alors que les valeurs pour les forêts sont de l’ordre de 4 m1/3/s.
Enfin, lorsque tous les paramètres sont ajustés et le scénario défini, la
modélisation peut être effectuée (geo7 AG, 2010).
4.1.2. Résultat
Le résultat donne la profondeur d’eau et la direction d’écoulement au format
raster (figure 14). Il est toutefois nécessaire de vérifier les résultats. En se
rendant par exemple sur le terrain pour vérifier si les hauteurs d’eau ne sont
pas surestimées ou sous-estimées et les directions d’écoulement erronées. Il
est par ailleurs conseillé de comparer les zones potentiellement exposées avec
des relevés d’observateurs lors d’événements visibles sur le terrain (traces
d’écoulements, dégâts etc.) (geo7 AG, 2010).
Figure 14 : modélisation du ruissellement de surface pour la région de Wierezwil (Canton de Berne) et comparaison du résultat avec un événement répertorié (geo7 AG, 2010).
25
4.2. Méthode d’analyse de terrain
La deuxième méthode est une analyse à plus petite échelle du ruissellement
de surface. Elle permet de compléter et d’approfondir les résultats obtenus
avec la modélisation de geo7 AG (2010) à des endroits spécifiques. Son
objectif est de déterminer les surfaces contributives, les débits ruisselés ainsi
que les hauteurs d’eau possibles pour différents scénarii de précipitations. Les
points essentiels de la démarche sont résumés ici d’après Rüttiman et Egli
(2010). Il est important de préciser que certaines étapes (cadastre des
événements, analyse du sol) ont été simplifiées ou mises de côté faute de
temps à disposition sur le terrain. Ces changements n’affectent néanmoins pas
la structure des résultats.
4.2.1. Démarche
La première étape est un inventaire des événements passés. Cette recherche
donne un aperçu général de l’occurrence du phénomène dans la zone étudiée.
Les cadastres des événements et les personnes locales sont ici utiles pour
répertorier les lieux touchés, les dégâts provoqués, les trajectoires
d’écoulement ou même les cumuls de pluie. Dans le canton de Berne, il existe
un cadastre des événements mais qui n’inclut qu’une catégorie générale
« eau » pour les sinistres. En ce sens, il n’est pas possible de faire la distinction
entre des crues ou des événements de ruissellement de surface. Cette étape a
été abandonnée pour ce travail faute de moyens à disposition. Par contre, il a
tout de même été possible d’avoir des exemples d’événements de
précipitations intenses grâce aux relevés pluviométriques des stations de Lyss
et de Kappelen ( cf. chapitre 3.2.2) (Rüttiman et Egli, 2010).
La deuxième étape consiste à délimiter les surfaces contributives qui menacent
un ou plusieurs objets et les directions d’écoulement (figure 15). Elle se fait
dans un premier temps sur ordinateur grâce aux MNT et aux autres
informations qui peuvent en être extraites (pente, courbes de niveaux). Dans le
cadre de ce travail les surfaces ont été déterminées grâce aux fonctionnalités
du logiciel QGIS. (QGIS, 2015) Ce système d’information géographique
possède des géoalgorithmes qui calculent les directions d’écoulement en
fonction des pentes. Dans un deuxième temps, il faut se rendre sur le terrain
26
pour vérifier ces données, car le modèle ne tient pas compte des petites
structures comme les routes, les rebords ou les habitations qui modifient les
trajectoires de l’écoulement de façon non négligeable (Rüttiman et Egli, 2010).
Ensuite, lorsqu’une grande surface contributive est délimitée au sens d’un petit
bassin versant, il faut la subdiviser en fonction du type de couverture du sol
(naturelle ou artificielle) et des possibilités de rétention en eau de celui-ci
(figure 15). Pour déterminer les capacités de stockage d’un sol naturel (les
surfaces artificielles étant imperméables), la méthode préconise d’effectuer des
échantillons et de les analyser (Rüttiman et Egli, 2010). Cette démarche étant
longue et fastidieuse, les données sur les sols ont été tirées de la carte des sols
de la région de Lyss. (Géoportail du canton de Berne, 2015) Cependant, les
valeurs de la capacité de rétention du sol ou de stockage en [mm] ne sont pas
données directement mais obtenues au travers des données sur la profondeur
utile pour les plantes. Autrement dit, un sol d’une profondeur de 70 à 100 cm
par exemple, a une capacité de 70 à 100 mm (Gerber, 2014).
Figure 15 : exemple de surfaces contributives (rouge) avec les directions d’écoulement (bleu)
et les capacités de rétention des surfaces (vert) (Swisstopo, 2015b).
Par la suite, lorsque les capacités d’infiltration du sol et les aires des sous-
surfaces sont définies, il faut leur assigner un coefficient de ruissellement qui
sert au calcul du débit. Le choix du coefficient se fait d’abord en fonction des
27
Q = C * A * i(t ,T)
classes de capacité de stockage du sol et ensuite d’après ses conditions
internes (humidité des sols) et surfaciques (compactage, croûte de battance,
gel) (Rüttiman et Egli, 2010). L’annexe 3 présente différentes gammes de
valeurs en fonction des types de surfaces et des conditions d’infiltration des
sols naturels. L’avant-dernière étape consiste à établir un scénario qui varie en fonction du
type de précipitations (pluie d’orage, pluie durable) et des conditions initiales
du sol de la surface sélectionnée. Les deux scénarii de pluie peuvent être
appliqués. Pour le premier, il faut prendre des intensités de pluie exprimées en
[l/s*m2] qui ont un temps de retour de 30 et 100 ans. Il est conseillé d’avoir des
valeurs différentes pour une même région d’intensité afin de pouvoir calculer
un débit maximum et minimum. (Rüttiman et Egli, 2010). Pour le scénario de précipitations de longue durée, il faut se référer aux valeurs
de 24h pour des temps de retour de 100 ans fournies dans l’Atlas
hydrologique de la Suisse (feuille 2.4). (Spreafico et al.,1992) L’ouvrage ne
fournit toutefois pas de valeurs pour des temps de retour de 30 ans (Rüttiman
et Egli, 2010).
Enfin, il faut choisir des points de mesures du débit. En principe, ce dernier se
calcule en plusieurs endroits d’une même zone d’étude, là où des surfaces
contributives se rejoignent (Rüttiman et Egli, 2010).
4.2.2. Paramètres mesurés
4.2.2.1. Débit
Rüttiman et Egli (2010) proposent deux méthodes de calculs de débit en
fonction du type de scénario choisi.
Pour le scénario pluie d’orage et pour les sols avec des difficultés d’infiltration
ou imperméables :
28
Q : Débit ruisselé sur une surface [l/s] C : Coefficient de ruissellement moyen de la surface [-] A : Aire de la surface [m2] i (t,T) : Intensité d’une pluie de durée t et temps de retour T [l/s*m2]
Remarques :
Le temps de latence entre le début de l’averse et le début du ruissellement est
de 5 minutes, indépendamment du type de surface et des conditions du sol.
(Jobin et al., 2005) En effet, une partie de la pluie peut s’évaporer au contact
du sol ou alors s’infiltrer dans le sol, c’est pourquoi le ruissellement ne se
produit pas tout de suite. Cependant, Rüttiman et Egli (2010) n’en tiennent pas
compte dans leur méthode.
Ensuite, la surface contributive doit correspondre à un temps d’écoulement de
10 minutes. (Rüttiman et Egli, 2010) La vitesse varie en fonction du type de
surface et de la rugosité. En général, elle est supérieure à 2 m/s pour les
terrains dont la pente se situe entre 5 et 10 % et inférieure à 2 m/s pour les
pentes < 2 %. (VKF, AEAI, 2007) Le graphique en annexe 4 donne des valeurs
un peu plus précises pour l’estimation. Par la suite, le calcul de l’aire de la
surface contributive T10min se fait par délimitation d’une zone tampon autour du
point de mesure. Par exemple : si la vitesse est de 0.2 m/s la distance sera de
120 mètres en 10 minutes (0.2*60*60). Pour le scénario pluie durable et pour les sols avec une capacité de rétention
suffisante :
Q : Débit ruisselé sur une surface [l/s] P24h : Cumul de pluie pour un temps de retour T [mm/24h] A : Aire de la surface [m2]
Remarques :
Tout d’abord, cette formule ne peut être appliquée que si la totalité du cumul
maximum en 24 h dépasse la capacité de stockage des sols. Ensuite, si le sol
Q= P24h* 2 * A
29
est gelé ou saturé initialement, il faut se référer à la première formule. Deux
ajustements doivent alors être effectués: il faut d’une part transformer le cumul
de pluie sur 24h en [mm] en intensité [l/s*m2] et d’autre part choisir un
coefficient de ruissellement adapté à ce type de conditions initiales (cf. annexe
3). Finalement, les surfaces contributives sont prises dans leur intégralité pour le
calcul du débit, car le temps de latence est bien plus court que la durée de
l’événement. (Rüttiman et Egli, 2010).
4.2.2.2. Hauteurs d’eau
Une fois que le débit est calculé, il faut estimer la hauteur d’eau possible au
point considéré. (Rüttiman et Egli, 2010) La section dans laquelle l’eau s’écoule
doit être paramétrée pour trouver la profondeur d’eau. Pour ce faire, un simple
calculateur hydraulique en ligne a été utilisé. (sic.g-eau.net, 2015) Ce dernier
donne la hauteur d’eau normale qui est la hauteur d’un écoulement uniforme
(homogène) sur un tronçon. (Ancey, 2014) Les sections de mesure doivent être
de préférence rectangulaires pour pouvoir faire le calcul car la formule est plus
simple. La mesure peut donc s’effectuer sur une route, une place ou sur toutes
autres surfaces où l’écoulement est canalisé. Les paramètres suivants doivent
alors être intégrés dans le calculateur : ● La largeur de la section de mesure [m] ● La rugosité de Strickler [m1/3/s] ● La pente de la section [m/m] ● Le débit [m3/s] ● La hauteur des bordures [m]
4.2.3. Résultats
4.2.3.1. Tableau de calcul
Une fois que tous les paramètres sont déterminés, il faut remplir une feuille de
calcul pour chaque scénario (cf. annexe 10). Il faut toutefois faire attention à
deux éléments pour la colonne « capacité du système d’évacuation ».
Premièrement, si la totalité du débit ruisselé est absorbée par les canalisations,
le débit des surfaces avales doit être reporté sur une autre feuille.
30
Deuxièmement, si les bouches d’évacuation sont obstruées (grêle, obstructions
diverses), il faut mettre une valeur nulle dans la colonne capacité minimale et
maximale du système d’évacuation (Rüttiman et Egli, 2010).
4.2.3.2. Cartographie
Le résultat final est une carte à l’échelle 1 : 5000 des surfaces contributives, des
directions d’écoulement, des débits (minimaux et maximaux) en [l/s] et des
hauteurs d’eau (minimales et maximales) en [cm] à différents points de la zone
d’étude (figure 16). Dans ce travail, les cartes sont toutefois au 1 : 7000 pour
une meilleure lisibilité. Par ailleurs, il est possible d’ajouter à la carte les zones
de rétention les murs et autres petites structures afin qu’elle soit plus complète
(Rüttiman et Egli, 2010).
Figure 16 : exemple de représentation du résultat sur une carte au 1 :5000. En rouge : les surfaces contributives. En bleu : les directions d’écoulement. Les points rouges représentent les points de mesures. Les valeurs indiquées en noir sont la hauteur d’eau et le débit minimal
et maximal (Rüttiman et Egli, 2010).
31
5. Etude du ruissellement de surface
Ce chapitre analyse le ruissellement de surface dans la région de Lyss. La
première partie de ce chapitre présente tout d’abord les deux zones d’études
retenues d’après les résultats de la modélisation de geo7 AG (5.1). Ensuite,
l’analyse se concentre sur l’une des zones d’étude (Lyss) sur la base des
résultats de la modélisation pour un scénario de pluie d’orage (5.2). Enfin, la
dernière partie présente une analyse locale du ruissellement par secteurs
d’après différents scénarii dans les deux zones d’études prédéfinies (5.3).
5.1. Choix des zones d’étude
Les résultats de la modélisation de geo7 AG pour toute la région de Lyss ont
permis dans un premier temps de faire une première sélection des zones
potentiellement exposées. Ainsi, sur l’ensemble du territoire modélisé, deux
zones ont été retenues pour l’analyse du ruissellement (cf. annexe 2). Ce choix
est motivé par les raisons suivantes : d’une part il n’était pas possible en raison
de la taille de la commune et du peu de temps à disposition d’ausculter
l’ensemble de la commune. D’autre part, la zone choisie présentait des
caractéristiques intéressantes, telles qu’une topographie variée et des types de
couverture du sol différents (surfaces imperméables, cultures, pâturages).
Cependant, il n’en demeure pas moins que d’autres zones sont exposées à ce
phénomène mais une analyse détaillée n’a pas pu être établie faute de temps. De facto, la délimitation de la zone s’est faite par rapport aux zones
d’écoulement (pente > 3 %) et aux zones d’accumulation (pente < 3%). Cette
pente limite a été choisie afin de pouvoir faire plus facilement la distinction
entre les zones plus ou moins plates et inclinées (cf. annexe 5), bien qu’il ait été
évoqué au chapitre 2.1.2.4 qu’un écoulement peut se produire à partir d’une
déclivité de 0.5% sur des cultures dans le sens de la pente.
32
5.1.1. Caractéristiques des zones
5.1.1.1 Zone 1
Elle se trouve à l’est du centre de Lyss au lieu-dit « Dreihubel » (cf. annexe 2).
Au niveau hydrographique, trois petits cours d’eau prennent leur source à
environ 500 mètres d’altitude sur le plateau agricole à l’ouest de la zone. Le
Murgelibach, Le Heilbach et le Mööslibach. Leurs tronçons sont fortement
modifiés, car ils sont mis sous terre dans la zone urbaine. (Géoportail fédéral,
2015) D’un point de vue pédologique, la surface est constituées
essentiellement de sols bruns, bruns lessivés et bruns acides (cf. annexe 6).
Leur capacité de rétention moyenne est de 85 mm sur presque toute la zone.
Cependant, une partie à l’extrémité sud a une capacité de 60 mm et une autre
au sud-est a une capacité de 125 mm (Géoportail du canton de Berne, 2015).
Ils peuvent donc stocker un certain volume d’eau lors de pluies durables
5.1.1.2 Zone 2
Elle se trouve à Busswil bei Büren, situé à 3 km au nord de Lyss (cf. annexe 2).
D’un point de vue hydrographique, la zone est dépourvue de cours d’eau. Les
sols sont identiques à ceux de la première zone mais leur capacité de stockage
est plus faible (cf. annexe 7). En effet, elle est de l’ordre de 85 mm en moyenne
au centre et de 60 mm le long de la bordure sud-est /nord-est ainsi qu’au nord
(Géoportail du canton de Berne, 2015).
5.2. Analyse des résultats de la modélisation
numérique
5.2.1. Scénario
Il simule une pluie d’une durée de 2 heures avec une intensité maximale de
140 mm/h (23 mm/10min) et un cumul total de 90 mm. Les capacités de
stockage du sol sont considérées comme faibles : 35 mm pour les surfaces
agricoles et les jardins, 45 mm pour les forêts, 0 pour les autres. Le système
33
d’évacuation des eaux est également intégré dans la modélisation (geo7 AG,
2010).
5.2.2. Interprétation des résultats
D’après la carte des résultats de la modélisation en annexe 8, le ruissellement
est important sur les surfaces agricoles. Du reste, les jardins potagers situés à
l’est sont particulièrement exposés, car il n’y a rien qui ralentit le phénomène.
Une accumulation d’eau entre 10 et 20 cm y est possible. Plus au sud, le
dépotoir construit avant la zone d’habitation semble retenir un grand volume
d’eau, ce qui protège les habitations en contrebas (figure 17).
Figure 17 : dépotoir construit en amont de la zone d’habitation (Google, 2015).
Au sud-ouest, les eaux en provenance du secteur centre sont canalisées par les
routes. Elles s’accumulent dans les sous-voies et contre le remblai des voies de
chemin de fer. La partie basse située à l’ouest est également une vaste zone
d’accumulation du ruissellement provenant du nord-est, nord, nord-ouest et
centre. Les hauteurs d’eau peuvent d’ailleurs atteindre jusqu’à 20 cm. Ensuite,
le carrefour situé au nord-est sert de déversoir à l’écoulement canalisé qui
draine les surfaces à flanc de colline (nord-est et nord). Au nord, les habitations
situées en contrebas du vallon sont aussi menacées car le point d’entrée du
cours d’eau mis sous terre est très exigu (figure 18). Enfin, le secteur centre est
exposé au débordement du ruissellement canalisé par la route. Il peut
s’écouler en direction du Heilbach.
34
Figure 18 : début de la mise en terre du Mööslibach.
Le système d’évacuation semble donc quelque peu atténuer le phénomène
mais il n’en demeure pas moins que beaucoup d’infrastructures restent encore
potentiellement menacées. Une analyse locale est nécessaire pour vérifier si les
écoulements modélisés correspondent à la réalité.
5.3. Analyse locale du ruissellement sur le terrain
L’analyse locale se focalise sur trois secteurs dans la zone de Lyss et deux dans
la zone de Busswil bei Büren (cf. annexe 9 et 10). La première partie présente
de manière générale les différents secteurs. Puis, elle aborde les quatre
scénarii retenus pour illustrer cette méthode et les paramètres utilisés pour le
calcul de la hauteur d’eau. La deuxième s’articule autour d’une analyse
détaillée du ruissellement de chaque secteur et de ses conséquences. Les
cartes des surfaces contributives et des directions d’écoulement sont
disponibles en annexe 11. Les tableaux de calculs des débits sont en annexe
12.
5.3.1. Secteurs
Secteur A Lyss
Le premier secteur a une superficie de 25'644 m2 et une pente moyenne de 14
%. La plus grande surface contributive est un champ de 22'880 m2. Les autres
surfaces sont des routes au revêtement imperméable. Le ruissellement s’initie
35
dans la partie en amont et se termine au sud-ouest contre le mur qui borde la
route. L’eau s’écoule ensuite soit en direction du sous-voie, soit en direction de
la rue. Le point de mesure se situe avant la séparation des écoulements.
Secteur B Lyss Le secteur B a une superficie de 100'608 m2 et une pente moyenne de 7.5 %. Il
comprend une grande proportion de champs et de prés entrecoupés par des
chemins agricoles compactés ou alors par des routes asphaltées. La surface
contributive la plus importante est une culture dans le sens de la pente de
30'070 m2. Le ruissellement débute au nord-est, puis il ralentit sur le replat au
centre du secteur (figure 19) avant de continuer sa route en direction des
premières habitations. Au point de mesure, il bifurque soit en direction du
nord-ouest, soit de la route plate au sud-ouest. L’analyse de terrain montre
toutefois que l’eau s’écoule de préférence à droite en raison du dévers de la
chaussée. Il contribue ainsi à l’écoulement du secteur C.
Figure 19 : surface d’accumulation du secteur B. Secteur C Lyss La surface contributive est située dans la continuité du secteur B. Sa surface est
de 17’319 m2 dont la majeure partie est un champ de 15’575 m2. Ce dernier a
une pente moyenne de 10 %. Le ruissellement provient essentiellement de
l’apport du secteur B. Il est canalisé le long de la route avec des débordements
36
possibles en de multiples endroits vers l’ouest. Pour le calcul du débit au point
de mesure, les pertes sur les bas-côtés ne sont pas prises en considération. Secteur A Busswil Avec une superficie de 179'504 m2, il s’agit du plus grand secteur étudié dans
le cadre de ce travail. Il a une pente moyenne de 8% et la plus grande surface
contributive est de 107'851 m2. Le ruissellement s’initie au sud-est et au nord-
est et se termine à l’ouest dans la zone d’habitations. Il se concentre ensuite au
centre de la zone pour former l’écoulement principal avant de se déverser en
aval (figure 20). En amont, il y a par ailleurs deux petites surfaces
d’accumulation qui stockent un petit volume d’eau. Le point de mesure se
trouve à cet endroit.
Figure 20 : provenance des écoulements avant la zone d’habitations. Secteur B Busswil Le dernier secteur a une superficie de 68'576 m2 et une pente moyenne de 8
%. Un champ de 36'656 m2 recouvre la plus grande partie de la surface. Le
ruissellement prend naissance au centre de la zone au pied du drumlin.
L’écoulement se dirige ensuite en direction du nord-est, avant d’être ralenti
dans une sorte de cuvette qui fait office de zone d’accumulation. Le
ruissellement se poursuit ensuite dans le champ avant d’être redirigé vers les
habitations en raison d’un remblai de terre. L’eau se concentre finalement
37
proche de la route dans le village. Le point de mesure se situe dans une ruelle
étroite entre deux maisons.
5.3.2. Scénarii
Ils illustrent au mieux les différents types de ruissellement présentés dans la
première partie. Il existe d’ailleurs de nombreuses autres combinaisons mais
elles ne seront pas présentées ici. Les deux premiers scénarii jouent sur l’élément moteur du ruissellement : les
précipitations. Ensuite, le troisième se base sur une modification de la capacité
d’infiltration du sol en raison du gel. Enfin, le quatrième simule les effets d’une
obstruction des systèmes d’évacuation des eaux pluviales par la grêle. Ils sont
résumés comme suit.
Le premier scénario simule une pluie de 110 mm en 24h qui ne survient
qu’une fois tous les 100 ans. (Spreafico et al, 1992) Le calcul se fait d’après
l’ensemble des surfaces contributives (surfaces rouges et vertes sur les cartes).
La capacité de stockage des sols varie entre 70 et 100 mm dans la première
zone. A Busswil, elle n’est pas identique partout. En effet, si certains secteurs
ont une capacité de 70 à 100 mm, dans d’autres elle est beaucoup plus faible
(entre 60 et 85 mm, voire entre 50 et 70 mm). Le système d’évacuation des
eaux est également inclu dans le calcul du débit et il fonctionne normalement.
La capacité d’absorption des grilles d’évacuation est de 10 à 15 l/s. (Naef et
Horat, 2000) Ce scénario s’applique à tous les secteurs.
Le deuxième scénario simule un ruissellement à la suite d’une pluie de
courte durée (10 minutes) dont l’intensité ne survient qu’une fois tous les 30
ans. Les valeurs exprimées en [l/s*m2] sont celles de Bern Zollikofen (0,034) et
de Neuchâtel (0.045). (VKF, AEAI, 2007) Il y a deux valeurs à intégrer dans la
fiche de calcul car la méthode tient compte de la variabilité des intensités pour
une même région. Pour le calcul, les surfaces contributives sont uniquement
celles pour lesquelles le temps d’écoulement est inférieur ou égal à 10 minutes
(surfaces rouges sur les cartes). Ce dernier varie d’ailleurs en fonction de la
pente et du type de surface (cf. annexe 4). Enfin, le système d’évacuation des
eaux est également pris en compte et il fonctionne normalement (5 à 10 l/s). Le
scénario a été établi pour chaque secteur.
38
Le troisième scénario illustre une situation de ruissellement sur sol gelé. Il
est basé sur une pluie durable de 110 mm en 24 heures. Il se calcule à l’aide
de la première formule mais en apportant quelques modifications à deux
paramètres. En effet, il faut augmenter le coefficient de ruissellement des
surfaces naturelles à 0.8 et 1 et transformer le cumul de pluie exprimé en
[mm], en [l/s*m2]. Pour la conversion, il suffit de diviser 110 mm par 86'400 ce
qui donne 0.0012 l/s*m2. (Rüttiman et Egli, 2010) En ce qui concerne le
système d’évacuation des eaux, il fonctionne normalement. Les secteurs
d’application du scénario sont ceux qui possèdent des surfaces naturelles
conséquentes, à savoir le secteur B à Lyss et le secteur A à Busswil bei Büren.
Le dernier scénario reprend les effets de la grêle sur le système
d’évacuation des eaux pluviales. Il se calcule d’après une pluie d’orage dont
l’intensité ne survient qu’une fois tous les 30 ans. Les valeurs sont donc les
mêmes que dans le premier scénario tout comme les coefficients de
ruissellement. Cependant, quand les grilles d’évacuations sont bouchées par
l’accumulation de grêlons, la capacité d’absorption du système d’évacuation
est alors égale à zéro pour le minimum et de 5 l/s pour le maximum dans les
paramètres du calcul. Ce scénario s’applique uniquement au secteur A de Lyss.
5.3.3. Paramètres des sections de mesure
Le tableau 4 illustre les différents paramètres utilisés pour le calcul de la
hauteur d’eau. Le point de mesure doit se trouver dans une section
rectangulaire pour faciliter le calcul du débit. La hauteur d’eau dans le secteur
A de Busswil n’a pas pu être évaluée, car l’eau arrive perpendiculairement à la
section d’écoulement. Les coefficients de rugosité de Strickler (KST) sont
identiques pour chaque secteur, car la mesure s’est faite sur une route
asphaltée. Enfin, la largeur et la pente des sections dépendent de leur
configuration.
39
Tableau 4 : paramètres des sections de mesure pour chaque secteur.
5.3.4. Analyse des résultats
5.3.4.1. Secteur A Lyss
Scénario 1
Le débit maximum (58 l/s) provient de la plus grande surface contributive. Il
s’agit d’un champ dont la capacité de stockage est inférieure au cumul des
précipitations. Cependant, le ruissellement qui s’initie en amont est absorbé
dans sa totalité par les grilles d’évacuation lorsqu’il arrive sur la route. Il n’y a
donc pas de ruissellement de surface qui se produit. Scénario 2 Le sol a une bonne capacité d’absorption mais l’intensité de la pluie provoque
tout de même un ruissellement conséquent qui ne peut pas totalement être
absorbé par les grilles d’évacuations. En effet, la pente étant trop forte sur le
tronçon principal, l’eau arrive trop vite sur les grilles pour être retenue. Le
débit estimé au point de mesure est de 306 l/s, ce qui correspond à une
hauteur d’eau de 2 cm environ. Elle est faible car d’une part la section est large
et d’autre part la vitesse de l’écoulement est importante. Le filet d’eau
s’accumule sous le pont de ligne de chemin de fer. Scénario 4 Si la grêle obstrue les grilles d’évacuation, le débit issu des surfaces en amont
et des routes ne peut pas être retenu. La somme cumulée est alors de 431 l/s
pour une hauteur d’eau de 3 cm. Elle est faible en raison de la pente
importante du secteur et de la largeur de la section.
40
Conséquences
En cas de fortes pluies d’orage avec ou sans grêle, le sous-voie situé à l’ouest
peut être inondé (figure 21). D’une part parce que la capacité du système
d’évacuation est insuffisante. D’autre part parce que les grilles peuvent être
obstruées soit par les grêlons qui pour rappel, peuvent atteindre 3 cm ou plus
de diamètre une fois tous les 30 ans (Stucki et Egli, 2007), soit par d’autres
débris (branches, plastiques, etc.). Dans ce cas, les éventuelles entrées de
garages le long du tronçon principal sont inondables. Le degré d’atteinte
dépend toutefois du cheminement de l’écoulement. Enfin, il faut souligner que
dans ce secteur, les vitesses d’écoulement sont trop rapides (Figure 22). En
effet, il n’y a aucun élément qui permet de le freiner. La solution serait de
construire un remblai au pied du champ pour stocker une partie du débit.
Figure 21 : surface d’accumulation dans le sous-voie (Google, 2015).
41
Figure 22 : pente raide du secteur A (Google, 2015).
5.3.4.2. Secteur B
Scénario 1 Les sols de la zone ont une capacité de rétention comprise entre 70 et 100 mm. Elle est inférieure aux 110 mm cumulés sur 24 heures, ce qui favorise un faible ruissellement au point de mesure (107 l/s). Le débit est également atténué par le système d’évacuation. Ensuite, la zone de rétention peut faire office de surface d’infiltration si le sol n’est pas compacté ou saturé, car l’intensité des précipitations est faible (0.0012 l/s*m2).
Scénario 2
Si d’intenses précipitations se produisent sur les cultures dans le sens de la
pente, il se forme un ruissellement du type hortonien. Le débit le plus
important a lieu sur la plus grande surface contributive. Il est estimé à 421 l/s
avec des coefficients de ruissellement relativement bas. Du reste, si les sols de
cette surface étaient compactés, il se produirait un phénomène de battance et
le ruissellement serait plus important. Le débit au point de mesure est de 864
l/s au maximum pour une profondeur de 8 cm. Scénario 3
Lorsque le sol est gelé, l’infiltration est fortement réduite. Dans le cas d’un gel
béton, le sol est même totalement imperméable. Le coefficient de
ruissellement est alors compris entre 0.8 et 1. Si par contre il s’agit d’un autre
42
type de gel, les coefficients restent bas vu que le sol absorbe une partie de la
pluie. Le résultat obtenu dans ce scénario a été calculé sur la base d’un sol
totalement ou presque imperméable. Le débit maximum estimé est
relativement faible au point de mesure (5.7 l/s). En effet, la quasi totalité de
l’écoulement en provenance des surfaces agricoles est absorbée par le
système d’évacuation. Il est donc efficace face à ce genre d’événement, bien
que le débit de la plus grande surface occasionne un ruissellement de 36 l/s.
Conséquences
Le cas d’une pluie de forte intensité est problématique dans le secteur B car
elle provoque d’une part une forte érosion des sols dans les cultures en pente.
D’autre part, elle contribue à la formation d’un volume de ruissellement
important qui se dirige vers les habitations (figure 23). La première maison
située au bord de la route est donc très exposée, plus particulièrement si le
volume de l’écoulement est suffisant pour franchir le petit rebord de la route.
L’autre problème, c’est que le dévers de la chaussée au niveau du point de
mesure dévie l’écoulement sur la route à pente plus forte au lieu de le diriger
vers celle qui est plate (figure 24). Phénomène aggravant, la grille située au
pied de la route principale ne peut pas absorber une grande quantité d’eau,
car elle est située en pente forte. L’eau s’écoule trop vite pour être absorbée
totalement.
Figure 23 : surface d’écoulement le long de la route avec risque de débordement sur la gauche.
43
Figure 24 : dévers de la route qui dirige l’écoulement vers la droite (Google, 2015).
5.3.4.3. Secteur C
Scénario 1 Lors d’une précipitation durable, le système d’évacuation des eaux de la route
absorbe à lui seul la totalité du débit issu du champ. Or, 107 l/s se rajoutent au
système depuis le secteur B, ce qui engendre une surcharge du système. Le
débit qui en résulte est alors de 91 l/s avec une profondeur de 2 cm sur la
route.
Scénario 2
Si les précipitations sont intenses, l’apport depuis le secteur B est encore plus
important. Le débit potentiel est au minimum de 156 l/s et il peut atteindre
1030 l/s en raison des 864 l/s du secteur B auxquels s’ajoutent les 155 l/s
provenant du champ. Sur la route, la hauteur d’eau atteint ainsi 10 cm. C’est
suffisant pour que l’eau franchisse le rebord de la route et s’écoule en direction
des habitations situées à l’ouest.
Conséquences
Le principal danger dans ce secteur est dû au déversement de l’eau qui
s’écoule sur la chaussée. En effet, la route est inclinée vers l’ouest et les
rebords peu élevés. Il est donc possible en cas de débit important que l’eau se
44
dirige vers les habitations situées en contrebas (figure 25). Ces dernières ayant
un pallier assez bas, l’eau peut y pénétrer facilement (figure 26).
Figure 25 : direction d’écoulement sur la route et zone de déversement possible (Google, 2015).
Figure 26 : habitations situées en contrebas de la route (Google, 2015).
5.3.4.4 Secteur A Busswil
Scénario 1 La capacité de stockage des sols n’est pas uniforme dans ce secteur. En effet,
elle est faible au sud-est (60 à 85 mm) et le long de la bordure est (50 à 70
mm), mais elle atteint des valeurs comprises entre 70 et 100 mm ailleurs. En
45
cas de précipitations prolongées, le débit est de 423 l/s. La surface centrale
fournit à elle seule 274 l/s. En comparaison avec le scénario suivant, il s’agit
d’une quantité relativement faible. Scénario 2 Le débit ruisselé en cas de précipitation d’orage est de 2392 l/s avec 1510 l/s
uniquement pour la surface numéro 8. Il s’agit de la valeur la plus haute, tous
secteurs confondus. Ce chiffre s’explique d’une part par la taille de la surface
contributive. D’autre part, par le choix des coefficients. Cependant, même si le
coefficient de ruissellement était réduit à 0.1, il subsisterait encore un débit de
431 l/s uniquement pour cette surface. Enfin, la capacité d’absorption des
grilles n’est largement pas suffisante sur la route située devant les habitations
en contrebas.
Scénario 3
Le ruissellement sur sol gelé apporte un débit de 180 l/s au point de mesure. Il
est nettement supérieur à celui observé au secteur B à Lyss car le volume d’eau
évacué par les grilles n’est pas suffisant. Elles ont en effet une capacité de 50
l/s au maximum pour un apport de 129 l/s rien que pour la surface 8.
Conséquences
L’eau qui s’écoule depuis le champ se concentre en direction de la zone
d’habitations (figure 27). Deux maisons situées le long de la route au pied de la
surface contributive sont très exposées car leurs entrées de garage se trouvent
en dessous du niveau de la rue (figure 28). C’est donc une zone où l’eau
pénètre rapidement et facilement. Le risque d’inondation du rez-de-chaussée
est très élevé. Ensuite, la présence d’un système d’évacuation des eaux mixtes
(pluviales et eaux usées) dans la zone d’habitation pose un autre problème.
(GEP Lyss, 2015) En effet, si une grande partie de la surface est inondée,
l’évacuation des eaux ne se fait plus correctement et des remontées des
égouts sont possibles. Enfin, en cas de précipitations intenses orageuses, des
ravines d’érosion peuvent se former sur la surface contributive numéro 8.
46
Figure 27 : concentration du ruissellement dans la partie aval du secteur.
Figure 28 : entrée de garage d’une habitation située en contrebas de la rue.
5.3.4.5. Secteur B Busswil
Scénario 1 Le sol a une capacité d’absorption homogène comprise entre 50 et 70 mm. Il
s’agit donc du secteur avec la plus faible capacité de stockage. Le débit
maximal estimé en aval est de 140 l/s pour une hauteur de 8 cm. Il est réduit,
car en amont, une partie est absorbée par le système d’évacuation des eaux.
Le système n’est toutefois pas assez efficace pour retenir tout le volume d’eau.
47
Scénario 2
Dans ce secteur, l’écoulement principal a lieu sur la plus grande surface
agricole. Le débit total au point de mesure est de 725 l/s pour une pluie dont
l’intensité survient une fois tous les 30 ans. La hauteur d’eau est de 13 cm dans
la ruelle. Il s’agit de la hauteur la plus importante mesurée. Elle est due
principalement à l’étroitesse de la section de mesure et au débit important qui
y passe.
Conséquences :
Dans la partie amont, l’exploitation agricole située au bord de la route est
susceptible d’être affectée par un faible ruissellement. En aval, la zone
d’habitation est plus exposée en raison d’un remblai de terre qui dévie
l’écoulement (figure 29). Il a probablement été aménagé de façon involontaire
mais il n’en demeure pas moins qu’il amplifie le ruissellement. Dans la zone
d’accumulation, il y a donc la fois un risque d’inondation et de pollution. En
effet, l’eau pénètre par les entrées de certaines habitations qui ont un pallier
trop bas (figure 30) et emporte des matières fécales entreposées proche de la
route (figure 31). Il s’agit d’une menace à la fois pour la santé des personnes et
pour l’environnement d’autant plus que la nappe phréatique est située entre 1
et 3 mètres. (Géoportail du canton de Berne, 2015)
Figure 29 : remblai artificiel qui dévie l’écoulement en direction des habitations.
48
Figure 30 : passage de l’écoulement au travers des habitations.
Figure 31 : ruissellement devant l’habitation où du fumier est entreposé (Google, 2015).
5.3.5 Synthèse
Les valeurs synthétisées dans le tableau de l’annexe 13 sont très hétérogènes
non seulement en fonction des secteurs mais aussi en fonction des scénarii. Les
pluies intenses forment un ruissellement conséquent partout mais le débit le
plus élevé a lieu dans le secteur A de Busswil. Toutefois, la contribution
d’autres secteurs influence parfois de façon non négligeable les valeurs en aval
comme dans le secteur C à Lyss. Ensuite, plus la taille des surfaces
49
contributives est grande, plus le débit est important, c’est donc une question
de superficie et non de type de couverture du sol. La comparaison des valeurs du tableau synthétique entre les différents scénarii
montre que les valeurs sont plus élevées lors de pluies intenses que durables.
L’intensité de la pluie est donc un facteur déterminant. En effet, lors d’une
pluie durable, l’intensité est plus faible et échelonnée sur 24 h. Les sols ont
donc le temps d‘absorber l’eau. Par contre, si l’intensité dépasse la capacité
d’infiltration, ce qui est souvent le cas lors d’une pluie d’orage, l’excédent
d’eau ruisselle.
Ensuite, les débits théoriques varient aussi fortement en présence ou non d’un
système d’évacuation des eaux pluviales. Les secteurs A et B de Lyss, par
exemple, sont bien équipés car dans le premier, la totalité de la pluie est
absorbée et seul un petit débit ruisselle dans le deuxième. Dans les secteur A
et B à Busswil par contre, il y a peu de grilles d’évacuation, d’où des valeurs de
débits plus élevées. Cependant, il peut arriver dans certains cas que le système
d’évacuation soit inefficace. Premièrement, lorsque la pente est trop
importante comme dans le secteur A de Lyss, l’eau arrive trop vite et la
capacité d’absorption est fortement réduite. Deuxièmement, si l’intensité de la
pluie est trop forte, le volume d’eau ruisselé est bien supérieur à la capacité
des grilles. Troisièmement, lors d’un orage de grêle, les grilles peuvent se
boucher ce qui accentue le ruissellement.
Enfin, le gel du sol est un facteur aggravant pour le ruissellement notamment
lorsque le secteur est dépourvu de système d’évacuation des eaux. C’est
pourquoi l’écart de valeurs entre les valeurs au secteur B de Lyss et A de
Busswil est si important dans ce scénario. En ce qui concerne les hauteurs d’eau, elles dépendent principalement des
paramètres de la section de mesure et du débit lui-même. En effet, la
profondeur de l’écoulement est faible sur les surfaces larges à pente moyenne
ou forte mais si cette dernière est plus faible et la section plus étroite, la
hauteur d’eau est plus importante. De plus, il s’avère que les valeurs sont plus
hautes lors d’une pluie d’orage que lors d’une pluie durable en raison de
débits plus élevés. Ainsi, une hauteur d’eau de 13 cm est possible dans la
ruelle du secteur B à Busswil, car elle est étroite et le débit élevé. Par contre,
dans le secteur A de Lyss où la pente est très raide, la hauteur d’eau n’est que
de 2 cm malgré un débit de 306 l/s.
50
5.3.6 Mécanismes de ruissellement possibles
Le principal mécanisme de formation du ruissellement de surface est du type
hortonien. Il se produit surtout à la suite d’intenses précipitations orageuses sur
les surfaces agricoles compactées par des machines comme par exemple dans
le secteur B à Lyss et A et B à Busswil. Dans ces secteurs, un phénomène de
croûte de battance est d’ailleurs possible. Cependant, il s’agit ici d’une
hypothèse car il faudrait vérifier la fréquence du labourage des cultures. Le ruissellement de surface saturée se rencontre à la suite de précipitations
durables dans les secteurs avec des champs et des prés. Il peut aussi avoir lieu
sur toutes les surfaces perméables des différents secteurs. Toutefois, le
ruissellement résulte ici plus de l’impossibilité de la pluie à pénétrer dans le sol
que de l’exfiltration de la nappe. En effet, dans les secteurs étudiés, le toit de
la nappe se trouve à une profondeur de plus de trois mètres. (Géoportail du
canton de Berne, 2015)
Ensuite, le phénomène de ruissellement sur sol gelé est observable dans tous
les secteurs avec des surfaces contributives naturelles. Il se produit
principalement en hiver à la suite de fortes précipitations ou de fonte des
neiges à la suite d’un redoux. (Dingman, 1975) Cependant, le risque est aussi
marqué en automne lorsqu’il fait très froid et que la neige tombe tardivement.
Le front de gel a alors le temps de progresser ce qui rend le sol imperméable. Enfin, le ruissellement en milieu urbain concerne essentiellement les secteurs
A et B à Lyss. Ce mécanisme est d’ailleurs fortement lié à l’urbanisation car
lorsque celle-ci s’intensifie, le ruisellement s’accroit également. A Lyss, la
surface d’infrastructure et d’habitat a augmenté de 105 ha en 24 ans (1979-
2004) alors que pour la même période la part des surfaces agricoles a diminué
de 107 ha. Les surfaces imperméables ont donc considérablement augmenté
et ce chiffre ne s’est pas arrêté puisqu’entre 2004 et 2009 leur nombre a
encore progressé de 19.6 % (OFS, 2015). La zone d’habitations de Dreihubel
est la zone qui s’est le plus fortement urbanisée depuis 1979 comme le
montrent les figures 32 et 33. De nombreuses habitations se sont construites le
long du Heilbach. Cette extension urbaine a ainsi fortement modifié la
dynamique du ruissellement. En effet, les débits ruisselés depuis les champs se
déversaient autrefois directement dans le ruisseau mais depuis la construction
51
de la route, l’eau est déviée et canalisée en direction du secteur B. Le risque
d’inondation est donc plus important.
Figure 32 : urbanisation de la zone de Dreihubel en 1976 (Swisstopo, 2015d).
Figure 33 : urbanisation de la zone de Dreihubel en 2011 (Swisstopo, 2015d).
52
6. Eléments de discussion
Ce dernier chapitre présente différents sujets de discussion à propos des
méthodes utilisées et des résultats. Il aborde le choix des coefficients (6.1), les
méthodes d’analyse du ruissellement de surface (6.2) et les mesures de
protection contre le phénomène (6.3).
6.1. Choix des coefficients
Les coefficients de ruissellement sont des paramètres décisifs dans cette
méthode car il détermine l’ampleur du ruissellement. (Rivard, 1998) Les
coefficients établis notamment pour les champs sont ceux recommandés par
Rüttiman et Egli, (2010). Ils sont de l’ordre de 0.1 à 0.35 pour des surfaces dont
l’infiltration n’est pas entravée. Il est néanmoins possible de les augmenter si
par exemple le sol est saturé ou qu’il y a une croûte de battance à la surface.
Dans ce cas, les valeurs varient entre 0.35 et 0.55 voir 0.8 si le sol est
totalement saturé. Pour le scénario pluie d’orage, il était préférable de ne pas
mettre des valeurs trop élevées car les débits semblaient déjà assez
importants. Ensuite, le choix du coefficient de ruissellement est tout aussi
délicat pour les surfaces agricoles. En effet, il varie en fonction des types de
cultures, de leurs directions par rapport à la pente et de leurs stades de
croissance. (Rey, 2005) Un orage intense début mai par exemple, provoque un
ruissellement plus important qu’au mois de juillet car le couvert végétal est
plus faible en mai qu’en juillet. Enfin, pour le scénario de la pluie sur sol gelé, les coefficients de 0.8 et 1 ont
été attribués aux surfaces sur la base d’un sol totalement imperméable. Ce
choix a été privilégié afin de pouvoir comparer plus facilement les résultats
avec une situation normale. Cela dit, le choix de ces coefficients est délicat car
il dépend de l’interprétation de l’observateur. Il est donc possible que ces
valeurs soient surestimées ou sous-évaluées. Cependant, pour ce travail, il
s’agit d’une évaluation approximative qui doit être vérifiée par un spécialiste et
qui ne doit pas être prise pour le dimensionnement de mesures de protection.
53
6.2. Méthodes
6.2.1 Méthode de modélisation numérique
La méthode de modélisation de geo7 AG (cf. chapitre 4.1) donne de très bons
résultats en haute résolution pour les zones situées aux abords des zones
d’habitations et pour les surfaces agricoles. Il est ainsi possible de déterminer à
grande échelle (jusqu’à 500 km2) les zones exposées. (Kipfer, 2014) De plus,
elle est applicable à tout type de régions que ce soit en montagne comme en
plaine. En effet, le bureau geo7 AG a modélisé le ruissellement pour la région
de Verbier (Canton du Valais) où les résultats étaient aussi très concluants.
(Kipfer, 2014) La modélisation est en revanche moins bonne pour les centres
des zones urbaines car la précision dépend non seulement de la résolution du
MNT mais aussi du nombre de petites structures intégrées pour la simulation.
Ensuite, l’inconvénient principal de cette méthode est l’attribution inhomogène
des valeurs par types de surfaces et non d’après leurs spécificités. Cette
simplification peut donc masquer certaines particularités locales comme par
exemple des sols hydromorphes ou des surfaces avec des pavés-filtrants. Le
ruissellement est alors biaisé. Cette affirmation met en lumière la difficulté de
pouvoir vérifier l’ensemble du territoire modélisé.
6.2.2. Méthode d’analyse de terrain
La méthode de Rüttiman et Egli (2010) permet d’estimer localement le danger
lié au ruissellement en indiquant non seulement les zones exposées mais
encore l’intensité avec lequel un objet peut être touché (débit, hauteur d’eau).
Elle peut être mise en pratique partout. De plus, l’analyse au cas par cas donne
des informations beaucoup plus précises que la modélisation car il y a une
vérification de terrain à petite échelle. La réflexion sur les mesures de
protection est donc facilitée et peut se faire directement sur le terrain.
Cependant, si la méthode de calcul semble simple à appliquer, la
détermination des coefficients de ruissellement, des capacités d’infiltration et
la délimitation des surfaces contributives est beaucoup moins évidente. En
effet, il faut être rigoureux à chaque étape car une mauvaise interprétation
peut conduire à des résultats totalement erronés : surestimation des débits,
54
mauvaises directions d’écoulements etc. L’autre inconvénient est que la
méthode de calcul semble être un peu simpliste, notamment pour le calcul du
débit pour le scénario de pluie durable. En effet, elle n’intègre pas la capacité
d’absorption des sols ce qui semble primordial pour évaluer le ruissellement.
Enfin, la méthode prend beaucoup de temps sur le terrain c’est pourquoi elle
ne peut être appliquée qu’à l’échelle d’un quartier et non d’une grande région.
6.3. Mesures de protection
Les solutions pour lutter contre le ruissellement de surface sont multiples. Ce
chapitre en présente quelques-unes pour le milieu urbain (6.3.1) et pour le
milieu rural (6.3.2).
6.3.1. Milieu urbain
Le choix de l’emplacement d’un immeuble ou d’une maison permet déjà
d’empêcher les dégâts liés au ruissellement. Il faudrait ainsi éviter de construire
des infrastructures au pied d’une pente ou dans une dépression où des cas de
ruissellement sont fréquemment observés. S’il n’y a pas d’autres
emplacements, il faut alors s’abstenir de créer des ouvertures comme les
portes, les entrées de garages ou alors les baies vitrées de salon où des
entrées d’eau sont possibles (VKF, AEAI, 2007). Cela dit, il s’est avéré dans
cette étude que de nombreux bâtiments ne tenaient pas compte de ce
problème (Secteur B de Lyss ou A à Busswil). Les aménagements extérieurs offrent en deuxième recours une palette de
solutions pour atténuer l’ampleur du phénomène. Il y a tout d’abord les
mesures d’infiltration qui l’atténuent à la source. Par exemple, il est
recommandé de poser des revêtements absorbants comme les pavés filtrants
ou les pavés gazons. En effet, ils ont un coefficient de ruissellement de 0.2
alors qu’il est de 1 pour un revêtement en dur. Ensuite, il est utile de creuser
des tranchées drainantes au pied des pentes. Elles doivent être remplies de
matériaux grossiers (graviers) qui sont beaucoup plus perméables et posséder
une conduite drainante au fond. Enfin, lorsque les débits sont trop importants
et que le phénomène ne peut être atténué, il est possible de construire des
ouvrages de rétention avec ou sans déversoir de trop plein (VKF, AEAI, 2007).
55
A Lyss, de telles mesures ont d’ailleurs déjà été prises notamment dans la zone
de Dreihubel (figure 34).
Il s’avère toutefois important que les employés communaux les entretiennent
et plus particulièrement s’il possèdent une conduite de trop-plein pour éviter
des débordements. Des remblais et des digues peuvent également être
construits au pied des pentes pour retenir les eaux superficielles. (VKF, AEAI,
2007) Ils ont pour objectif de dévier l’écoulement hors de zones habitables
mais ces équipements coûtent cher.
Figure 34 : bassin de rétention avec évacuateur de trop plein à Lyss. Par ailleurs, le système d’évacuation des eaux doit être conçu de manière à
éviter le reflux et les débordements. La première solution consiste à créer un
système séparatif des eaux de pluies et des eaux usées pour éviter qu’en cas
de surcharge, les eaux sales remontent (VKF, AEAI, 2007). Ce problème a été
mis en lumière dans la zone urbaine du secteur A à Busswil où le système est
unitaire. Finalement, des mesures de protection provisoires (sacs de sables,
palplanches) peuvent être installées contre les portes et les entrées de
garages. Il s’agit du même système utilisé pour protéger les habitations contre
les inondations (VKF, AEAI, 2005).
56
6.3.2. Milieu rural
Sur les surfaces agricoles, le ruissellement a des effets néfastes car il érode le
terrain. (Mühlberger de Preux, 2005) Les premières mesures consistent à éviter
l’orientation des cultures dans le sens de la pente car il s’est avéré que les
coefficients étaient relativement plus élevés que pour un pré ou un champ
transveral à la pente (cf. annexe 3). Ensuite, lors de l’exploitation des terres, il
est recommandé d’éviter de trop compacter le sol avec les engins agricoles
afin qu’il puisse rester perméable. La méthode sans labour est une des options
possibles. (Mühlberger de Preux, 2005) Lorsque le ruissellement est trop
important et que des mesures de prévention ne suffisent pas, il est possible
d’aménager des voies d’eau engazonnées (figure 35). Il s’agit de « canaux
naturels ou artificiels conçus pour capter le ruissellement et l’acheminer vers un
exutoire sécuritaire sans causer d’érosion » (Guillou, 2008 : 1). Ils sont
végétalisés ce qui ralentit la vitesse de l’écoulement et donc l’érosion. Il est
possible de les aménager en amont d’une pente raide afin de dévier le
ruissellement ou alors au pied d’une pente faible pour éviter que l’eau ne
s’étende sur d’autres surfaces. Elles doivent être entretenues afin que
l’écoulement ne soit pas entravé (Guillou, 2008).
Figure 35 : voie d’eau végétalisée dans un champ (Guillou, 2008).
57
7. Conclusion
Ce travail a mis en lumière les différents aspects de la problématique du
ruissellement de surface. Pour commencer, les bases théoriques ont montré la
complexité des paramètres qui interviennent dans le développement du
processus. L’infiltration est le paramètre qui détermine l’ampleur du
phénomène, c’est pourquoi une attention particulière lui a été accordée.
Ensuite, différents mécanismes de formation du phénomène ont été discutés.
En résumé, le ruissellement hortonien est le plus fréquemment rencontré en
été sous les latitudes tempérées. Il se produit à la suite de fortes pluies
orageuses lorsque la capacité d’infiltration du sol est inférieure à l’intensité des
précipitations. En revanche, lors de précipitations durables, il est plus courant
d’observer un ruissellement de surface saturée. En outre, des cas particuliers
ont été abordés afin d’illustrer les facteurs aggravants du phénomène. L’autre
point important était aussi de montrer les outils à disposition pour l’analyse du
phénomène. La méthode numérique offrait ainsi une approche globale à large
échelle. La deuxième est plus pragmatique et se tourne vers une analyse locale
de terrain. Elles sont complémentaires l’une de l’autre. La seconde partie du travail était une mise en pratique de la démarche dans la
région de Lyss. Les multiples scénarii d’étude ont ainsi montré une grande
variabilité locale des débits en raison des particularités de chaque secteur. De
plus, il s’est avéré que les surfaces étaient plus sensibles aux précipitations de
courtes durées qu’aux précipitations durables car les débits estimés étaient
plus élevés. L’analyse des conséquences du ruissellement a également dévoilé
un manque de prise en considération de l’aléa dans l’aménagement local..
Enfin, ce travail a présenté des mesures pour prévenir et atténuer le
ruissellement tant en milieu urbain que rural. Le ruissellement de surface est donc un phénomène complexe qui mérite
d’être intégré dans les cartes de danger des communes. L’urbanisation
croissante des territoires et l’augmentation probable des précipitations
intenses vont sans doute accentuer ce phénomène et ses conséquences. Il est
donc nécessaire que l’aléa soit cartographié d’une part pour reconnaître
facilement les zones vulnérables. D’autre part, pour faciliter l’assimilation des
mesures de protection dans les planifications locales.
58
8. Bibliographie
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67
Annexe 3 : tableaux des coefficients de ruissellement (C)
Type
%de%surface%et%coe
fficien
t%de%ruissellemen
tCo
uverture%du%sol%
Pente%%
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120.
220.
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300.
130.
250.
55
69
Annexe 5 : surface d’accumulation (pente <3%) et d’écoulement (pente >3%) des deux zones d’études, résolution 5m (Swisstopo, 2015c).
79
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Remarques
Capacité de rétention min [mm]
Capacité de rétention max [mm]
Surface [m2]
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Différence cumul -capacité de rétention min
Différence cumul - capacité de rétention max
Capacité max système d'évacuation [l/s]
Capacité min système d'évacuation [l/s]
Débit min ruisselé par surface [l/s]
Débit max ruisselé par surface [l/s]
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Annexe 12 : tableaux de calcul du débit par secteurs et par scénari i
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Débit min ruisselé par surface [l/s]
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