Modélisation hydraulique, hydrologie et logiciels de simulation

Un domaine sans texte propre, mais des dossiers qui engagent le maître d'ouvrage

Ce que la réglementation prescrit, et ce qu'elle laisse ouvert

Aucun texte national ne prescrit un logiciel de simulation, une méthode de calage ou un niveau de détail pour un modèle hydraulique ou hydrologique. Le modèle n'est pas un acte réglementé : c'est un moyen de produire des grandeurs (débit de pointe, hauteur d'eau, pression, volume débordé, fréquence de mise en charge) qui alimentent des dossiers, eux-mêmes encadrés. Cette liberté a un revers : l'autorité, le financeur ou le maître d'ouvrage jugent le résultat sur la qualité de la démonstration, donc sur les données, les hypothèses et le calage.

Les textes interviennent par ricochet. Les dossiers de déclaration ou d'autorisation au titre de la loi sur l'eau, aux articles L. 214-1 et suivants du Code de l'environnement, doivent justifier les rejets d'eaux pluviales, l'impact d'un remblai en zone inondable ou celui d'un ouvrage sur l'écoulement des crues. Les plans de prévention des risques d'inondation, la cartographie des territoires à risque important prévue par la directive 2007/60/CE et les études de dangers de digues ou de barrages reposent sur des calculs hydrauliques. Pour l'assainissement, l'arrêté du 21 juillet 2015 organise l'autosurveillance des systèmes et la connaissance des déversements, que les modèles aident à interpréter.

Les dossiers alimentés par un modèle

Les usages les plus courants sont le dimensionnement d'un réseau pluvial ou d'assainissement, le zonage et le schéma directeur pluvial, le diagnostic d'un réseau d'eau potable (sectorisation, pression, vieillissement de l'eau), l'étude d'un aménagement en rivière, la cartographie d'une zone inondable et la hiérarchisation d'un programme de travaux. Dans chaque cas, un modèle bien documenté permet de comparer des scénarios sur une base commune, de justifier un choix devant une instance et de remettre en cause une hypothèse sans tout refaire.

Le décret n° 2012-97 du 27 janvier 2012 impose aux services d'eau potable un descriptif détaillé de leurs réseaux et un plan d'actions contre les pertes lorsque le rendement est insuffisant. Il ne parle pas de modèle, mais un modèle calé sur la sectorisation est l'un des outils qui permettent de construire ce plan d'actions de façon argumentée.

Responsabilité des auteurs et licences des logiciels

Un modèle est un outil, et ses conclusions engagent celui qui les signe : bureau d'études, maître d'œuvre ou maître d'ouvrage. Le fait d'avoir utilisé un logiciel connu ne vaut ni validation ni garantie du résultat. Les logiciels de simulation, qu'il s'agisse d'EPANET, de SWMM, d'InfoWorks, de MIKE, de TUFLOW, de Flood Modeller, d'OpenFlows, de HEC-HMS ou de SWAT, sont des produits de tiers, régis par des licences d'usage : une licence peut interdire de céder un modèle, limiter ses usages commerciaux ou lier la lecture d'un fichier à une version. Nous les citons à titre descriptif. Nous ne sommes ni revendeur, ni partenaire, ni certifié d'un éditeur, et nous vérifions la licence applicable avant chaque mission.

Hydrologie : données, méthodes et incertitudes

Les données de pluie et de débit

Toute étude hydrologique part de données : pluies de projet issues des statistiques de Météo-France (coefficients de Montana pour les pluies courtes), séries de débits observées aux stations de mesure, relevés de crues historiques, repères et laisses de crue. Les observations de débit et de hauteur d'eau sont publiées par l'Hydroportail et celles de Météo-France par le portail de données publiques. Leur qualité varie : stations récentes ou à courte série, courbes de tarage peu fiables aux hautes eaux, pluies mal représentatives d'un bassin urbain de petite taille.

La statistique des valeurs extrêmes, qui sert à estimer un débit centennal à partir de quelques décennies d'observations, produit des intervalles de confiance larges. Un rapport de qualité les affiche. Il rappelle aussi que la période de retour est une probabilité annuelle, non un calendrier : un événement de période de retour de cent ans peut survenir deux années de suite.

Les méthodes de calcul des débits

Pour les petits bassins urbains, la méthode rationnelle et la formule de Caquot, reprise par la circulaire interministérielle 77-284 du 22 juin 1977 sur les réseaux d'assainissement des agglomérations, sont encore très utilisées. Leur domaine de validité est borné : la formule de Caquot s'applique à des surfaces d'environ 1 à 200 hectares, pour des bassins suffisamment imperméabilisés et de pente modérée. Hors de ce domaine, ou lorsque le réseau est en charge ou comporte des ouvrages de stockage, une modélisation dynamique est préférable.

Pour les bassins versants naturels ou agricoles, des modèles pluie-débit traitent le ruissellement, l'infiltration et la propagation, et des modèles à base physique comme SWAT s'intéressent aussi au transport de sédiments et de nutriments. Le choix de la méthode dépend de la question posée, de la surface, des données disponibles et de la précision attendue, non de l'outil que l'on maîtrise.

Hydraulique : réseaux sous pression, réseaux gravitaires et cours d'eau

Réseaux d'eau potable

Les modèles de réseaux sous pression représentent les conduites, les réservoirs, les pompes et les vannes, et distribuent à chaque nœud une demande issue de la facturation ou de la sectorisation. Calés sur des mesures de pression et de débit, ils servent à dimensionner un renforcement, tester la défaillance d'un ouvrage, étudier le temps de séjour de l'eau ou préparer une sectorisation. Des outils libres comme EPANET et sa bibliothèque Python WNTR côtoient des logiciels commerciaux ; l'extension QGIS associée à EPANET facilite la préparation des données. La qualité du résultat dépend d'abord de la qualité du patrimoine renseigné : diamètres, matériaux, altitudes, position des vannes.

Réseaux d'assainissement et eaux pluviales

En réseau gravitaire, les modèles résolvent des écoulements en surface libre, en charge ou en débordement, avec des pluies de projet ou des pluies mesurées. SWMM, PCSWMM, InfoWorks ICM, MIKE+ ou HYDRA sont des exemples d'outils. Ils servent à localiser les points de mise en charge, évaluer l'effet d'un bassin de rétention ou d'une déconnexion des eaux pluviales, estimer les volumes déversés par un déversoir d'orage et alimenter un diagnostic ou un schéma directeur. La norme NF (norme française) EN (norme européenne) 752 définit le cadre de fonctionnement des réseaux d'évacuation et d'assainissement à l'extérieur des bâtiments, et la qualité des mesures de calage conditionne la fiabilité de la simulation.

Cours d'eau et inondations

Pour un cours d'eau, un modèle unidimensionnel représente le lit par des profils en travers, un modèle bidimensionnel traite plus finement le lit majeur, les remblais et les écoulements transversaux. MIKE 11, Flood Modeller et TUFLOW en sont des exemples. La topographie compte beaucoup : levés de géomètre, modèle numérique de terrain et données altimétriques à haute résolution de l'Institut national de l'information géographique et forestière. Le calage s'appuie sur des crues connues, des laisses de crue et des hauteurs mesurées, et la sensibilité aux rugosités et aux conditions aval doit être testée avant de conclure.

Qualité d'un modèle : calage, validation et traçabilité

Caler, valider, tester la sensibilité

Le calage ajuste des paramètres (rugosités, coefficients de ruissellement, demandes, pertes de charge) pour que le modèle reproduise des observations. La validation vérifie ensuite que le modèle réussit sur un événement qui n'a pas servi au calage. Un modèle calé sur un seul épisode, sans validation, ne dit pas grand-chose de ses performances sur un autre. Une analyse de sensibilité montre quels paramètres pèsent le plus sur le résultat, donc où investir en mesures complémentaires.

Documenter pour pouvoir actualiser

Un modèle utile dure plusieurs années. Il doit pouvoir être mis à jour lorsque le réseau change, lorsque de nouvelles pluies ou de nouvelles crues sont observées, ou lorsqu'un autre prestataire reprend l'étude. Cela suppose une notice de construction, les données d'entrée sauvegardées avec leur source, le journal des hypothèses et des choix, la version du logiciel et les fichiers dans un format exploitable. Faute de cela, le modèle devient une boîte noire que personne n'ose relancer.

Reprendre un modèle existant

La reprise d'un modèle réalisé ailleurs est un exercice à part entière : lecture de la notice, contrôle de cohérence, comparaison des résultats avec les rapports d'origine, identification des paramètres non justifiés. C'est souvent le premier réflexe d'un maître d'ouvrage qui change de prestataire, et nous le traitons comme un audit avant toute évolution.

Ce que nous faisons, et ce que nous ne faisons pas

Ce que nous faisons

Optédif audite des modèles existants et leur calage, conseille sur le choix d'un outil et d'une méthode, construit des modèles de réseaux, de bassins versants et de cours d'eau, déploie et paramètre un logiciel de simulation en reprenant les modèles existants, et forme vos équipes en intra-entreprise sur vos propres données. Nous renforçons aussi une équipe d'études sur un lot défini : l'intervenant est un membre de l'équipe d'Optédif, placé sous la responsabilité et l'encadrement d'Optédif, avec des livrables définis, au forfait ou en prestation récurrente.

Chaque modèle est remis avec ses fichiers sources, ses données d'entrée, sa notice et son rapport de calage, de façon que vos équipes puissent le relancer. Nous préférons un résultat présenté avec ses incertitudes à un chiffre unique sans contexte.

Ce que nous ne faisons pas

Nous ne signons aucun dossier alimenté par nos modèles, nous n'exerçons pas de maîtrise d'œuvre et nous ne dimensionnons pas d'ouvrage à la place de son concepteur. Nous ne délivrons ni agrément, ni certification, ni validation réglementaire de vos résultats, et nous ne promettons pas qu'une autorité acceptera une étude. Nous ne mettons pas de personnel à la disposition de nos clients, nous ne revendons aucune licence et nous n'avons de lien commercial avec aucun éditeur. Lorsque nous préparons un cahier des charges d'étude pour une consultation, nous ne répondons pas ensuite à celle-ci. Les cas décrits dans nos pages de prestations sont des exemples construits.

Sources officielles pour aller plus loin

Textes et données publiques

Les textes cités sont consultables dans leur version consolidée sur Légifrance. L'Hydroportail donne accès aux données hydrométriques, le portail de données publiques de Météo-France aux données météorologiques, et LiDAR HD de l'IGN aux données altimétriques à haute résolution. Le Sandre publie les référentiels de données sur l'eau utiles pour structurer les échanges de données.

Guides et ressources techniques

Le Cerema publie des guides sur la gestion des eaux pluviales, les réseaux d'assainissement et les inondations. Le ministère chargé de l'écologie présente la prévention des risques naturels, et Géorisques publie les informations sur les inondations. Ces ressources complètent la documentation des éditeurs de logiciels et vos propres retours d'expérience.