MINISTERE DE L'AGRICULTURE ET DE LA PECHE _____________________________ ECOLE NATIONALE DU GENIE DE L'EAU ET DE L'ENVIRONNEMENT DE STRASBOURG Etude hydraulique de la Fensch (Département de la Moselle), largement industrialisée et urbanisée Mémoire en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur de l’ENGEES Juillet 2008 Travail de fin d’études réalisé par Florence MANGEZ Promotion MARNE
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MINISTERE DE L'AGRICULTURE ET DE LA PECHE
_____________________________
ECOLE NATIONALE
DU GENIE DE L'EAU ET DE L'ENVIRONNEMENT
DE STRASBOURG
Etude hydraulique de la Fensch (Département de la Moselle), largement industrialisée et urbanisée
Mémoire en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur de l’ENGEES Juillet 2008
Travail de fin d’études réalisé par Florence MANGEZ Promotion
MARNE
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Remerciements
Je tiens à remercier toutes les personnes de l’agence HYDRATEC de Strasbourg qui
ont su m’accueillir chaleureusement et me faire partager leur expérience.
Je remercie tout particulièrement Mathieu Trautmann, mon maître de stage et
responsable de l’agence, pour ses conseils et son aide dans le bon déroulement de mon étude.
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Résumé
Etude hydraulique de la Fensch (Département de la Moselle), largement industrialisée et urbanisée
Cette étude a pour objectif d’analyser le risque d’inondation de la Fensch et de
connaitre les impacts des aménagements réalisés sur le cours d’eau. Elle fait suite à la maitrise
d’œuvre qui concerne les travaux d’aménagement et de restauration de la Fensch, commandée
par la communauté d’agglomération du val de Fensch. La situation de ce cours d’eau est
particulière. En effet, depuis 2005, a débuté l’ennoyage du bassin Nord du bassin ferrifère
Lorrain. En 2007, était prévu le débordement des mines par les galeries situées au niveau de la
nappe. Finalement, il a eu lieu au début de l’année 2008. Cette conséquence de l’ennoyage
des mines de fer fait craindre un risque d’inondation plus élevé accentué par la canalisation
importante de la Fensch et par la présence de nombreuses longues galeries construites pour les
besoins de l’industrie sidérurgique fortement installée dans la vallée.
Dans un premier temps, l’étude hydrologique va permettre de déterminer les débits
mis en jeu pour des fréquences décennale et centennale. Elle va permettre également de
déterminer les apports dus aux exhaures1 pour ces différentes occurrences. L’estimation des
débits a été réalisée à partir de la méthode du Gradex.
Ensuite, une étude hydraulique à partir des logiciels HEC-RAS et HYDRARIV a été
réalisée pour déterminer les zones d’expansion des crues. Les simulations ont été faites pour
les deux périodes de retour et pour les situations (avant et après ennoyage des mines) pour
voir le réel impact des eaux d’exhaure.
Cette étude a permis de mettre en évidence le fort risque inondation que ce soit avant
ou après l’ennoyage des mines du au fait de la faible capacité du lit mineur (ouvrages sous
dimensionnés et passages couverts sur de longs linéaires).
1 Evacuation des eaux des mines
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Abstract
Hydraulic study of the Fensch (Department of Moselle, France), industrialized and urbanized river
This study aims to analyze the risk of flood of Fensch and to know the impact of the
river developments. It follows the consultancy which concern the river development works
ordered by the “Communauté d’Agglomération du Val de Fensch”. This river is particular
because it is in the region of French Northern mining. Since 2005, the groundwater pumping
has been ended and a mining overflow has been previewed in 2007. In fact, it has happened
this year. The population is frightened that the mining overflow might cause more flood in the
valley. This risk of flood can be aggravated by the big number of long galleries in the river, 5
kilometers of the river is concerned by that.
At first, the hydrologic study is going to allow determining the flow rates for different
frequencies and the overflow rate. The rates have been estimated by the Gradex method.
Then, two hydraulic models were created with HEC-RAS and HYDRARIV software.
The models were simulated for two situations: before and after the pumping stop.
This study has permitted to know the effect of the mining overflowing and to see that
the principal cause of flood is the under-capacity of the low flow channel (bridges and long
galleries).
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Liste des figures FIGURE 1 : CARTE DE LOCALISATION DE LA FENSCH ............................................................................ 16 FIGURE 2 : CARTE DES BASSINS CENTRE, SUD ET NORD ....................................................................... 21 FIGURE 3 : PLUIE DE DESBORDES ................................................................................................................ 32 FIGURE 4 : REPRESENTATION DES TERMES DE L'EQUATION D'ENERGIE .......................................... 36 FIGURE 5 : PROFIL 147 SANS LEVEES .......................................................................................................... 43 FIGURE 6 : PROFIL 147 AVEC LEVEES .......................................................................................................... 43 FIGURE 7 : PROFIL TOPOGRAPHIQUE 117.9 ................................................................................................ 44 FIGURE 8 : PROFIL HYDRARIV 117.9............................................................................................................. 44 FIGURE 9 : PRINCIPE DU TRAÇAGE .............................................................................................................. 53 FIGURE 10 : PRINCIPE DU DEPILAGE ET DU FOUDROYAGE .................................................................. 53
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Liste des tableaux TABLEAU 1 : DEBITS D’ETIAGE ESTIMES DE LA FENSCH AVANT ENNOYAGE ................................ 24 TABLEAU 2 : DEBITS D’ETIAGE ESTIMES DE LA FENSCH APRES ENNOYAGE .................................. 24 TABLEAU 3 : DEBITS POUR LES PERIODES DE RETOUR 10, 50 ET 100 ANS AVANT ET APRES
ENNOYAGE. .............................................................................................................................................. 25 TABLEAU 4 : ESTIMATION DES DEBITS DE CRUES DE LA FENSCH AVANT ET APRES ENNOYAGE
POUR LA PERIODE DE RETOUR 10 ANS. ............................................................................................ 25 TABLEAU 5 : ESTIMATION DES DEBITS DE CRUES DE LA FENSCH AVANT ET APRES ENNOYAGE
POUR LA PERIODE DE RETOUR 50 ANS. ............................................................................................ 26 TABLEAU 6 : ESTIMATION DES DEBITS DE CRUES DE LA FENSCH AVANT ET APRES ENNOYAGE
POUR LA PERIODE DE RETOUR 100 ANS. .......................................................................................... 26 TABLEAU 7 : QUALITE DE LA FENSCH DE 2001 A 2003 ............................................................................ 27 TABLEAU 8 : COMPARAISON DES METHODES DE DETERMINATION DES DEBITS DE PROJETS ... 29 TABLEAU 9 : TEMPS DE CONCENTRATION SELON DIFFERENTES METHODES ................................. 30 TABLEAU 10 : COMPARAISON DES DEBITS DE POINTE .......................................................................... 32 TABLEAU 11 : DEBITS DE CRUE A PARTIR DE LA METHODE DU GRADEX ........................................ 33 TABLEAU 12 : DEBITS DE CRUE DES MINES .............................................................................................. 33 TABLEAU 13 : DEBITS DE CRUE DE LA FENSCH EN PLUSIEURS POINTS ............................................ 34 TABLEAU 14 : DEBITS DE LA CRUE DE 1993 ............................................................................................... 38 TABLEAU 15 : RESULTATS DE LA SENSIBILITE DU LOGICIEL HEC-RAS ............................................ 42 TABLEAU 16 : RESULTATS DE LA SENSIBILITE DU LOGICIEL HYDRARIV ........................................ 42
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Liste des abréviations
ARBED
Aciéries Réunies de Burbach-Eich-Dudelange. Groupe sidérurgique luxembourgeois qui
s'est rapproché du groupe espagnol Aceralia et du français Usinor pour fonder le grand
groupe Européen Arcelor qui sera acheté en 2006 et deviendra Arcelor-Mittal.
BV Bassin Versant
CAVF Communauté d'Agglomération du Val de Fensch
HAP Hydrocarbure Aromatique Polycyclique
IOBS Indice Oligochètes Biologique des Sédiments fins
RBM Réseau de suivi des Bassins Miniers
RNB Réseau National de Bassin
SCS Soil Conservation Service
SIG Système d’Information Géographique
SOLLAC SOciète Lorraine de LAminage
STEP Station d’Epuration
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Introduction
La Fensch, affluent de la Moselle dans la région de Thionville, est une rivière
largement urbanisée et industrialisée du fait de son passé sidérurgique. En effet, le contexte de
la Fensch est spécifique car la présence des mines de fer a profondément modifié le cours
d’eau.
D’une part, l’exploitation des mines a modifié le bassin versant des cours d’eau par le
déploiement des galeries, certaines atteignant le Luxembourg dans certains cas. De plus, pour
éviter que les mines ne soient ennoyées, un pompage des eaux est assuré et rejette les eaux
d’exhaure dans les cours d’eau modifiant ainsi leur état hydraulique.
D’autre part, l’activité sidérurgique nécessitant l’apport de beaucoup d’eau pour la
transformation des matériaux, a nécessité l’installation de prises sur les cours d’eau modifiant
également leur état hydraulique.
Enfin, dans les années 60-70, c’est l’âge d’or des mines du bassin ferrifère lorrain ce
qui nécessite un grand nombre d’ouvriers. Commence alors une urbanisation importante des
vallées.
A l’heure actuelle, le déclin des mines a engendré la fermeture de celles-ci depuis les
années 90. En 2005, l’ennoyage des mines du bassin Nord lorrain a commencé c’est-à-dire
que les eaux d’infiltration ne sont plus évacuées et que les mines se remplissent d’eau. Le
problème de cet ennoyage est le débordement d’eau par les galeries. En effet, les mines sont
en contact avec la Fensch par l’intermédiaire des galeries d’accès ce qui fait craindre une
augmentation importante du débit du cours d’eau et donc un risque d’inondation. C’est
pourquoi la Communauté d’Agglomération du Val de Fensch (CAVF) a entrepris des travaux
de consolidation de berges. Elle a mandaté HYDRATEC comme maître d’œuvre pour les
travaux à effectuer. Les principaux objectifs des interventions envisagées sont hydrauliques,
qualitatifs et paysagers.
Dans le but de réaliser la prochaine phase de travaux, HYDRATEC m’a confié l’étude
hydraulique de la Fensch afin de connaitre l’impact des aménagements envisagés. Cette étude
est basée sur une modélisation hydraulique de la Fensch à l’aide de deux logiciels HEC-RAS
et HYDRARIV. J’utiliserai ces deux logiciels afin de confirmer, dans un premier temps, les
résultats d’une étude similaire d’un autre bureau d’études réalisée sur HEC-RAS puis de
comparer les méthodes de calculs, de calage… de ces deux logiciels.
Le but de ce mémoire est donc de présenter la méthode que j’ai utilisée dans l’étude de la
Fensch. La première partie présentera le contexte dans lequel s’inscrit le cours d’eau en
termes de contraintes humaines, d’impacts de l’activité minière… Les deux dernières parties
concernent respectivement l’étude hydrologique et hydraulique du cours d’eau. Enfin, la
dernière partie s’intéresse aux propositions d’aménagement envisageables vu le contexte de la
Fensch.
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I. Contexte dans lequel s’inscrit la Fensch
I.1 Bassin versant de la Fensch
I.1.1 Bassin versant superficiel
La Fensch prend sa source à Fontoy à 300 mètres d’altitude et rejoint la Moselle une
quinzaine de kilomètres plus loin au sud de Thionville à 150 mètres d’altitude [3]. Sa pente
moyenne est alors de 1%.
La vallée de la Fensch est limitée au Nord par le plateau d’Aumetz, au Sud par le
plateau de la forêt de Moyeuvre et à l’Est par la vallée de la Moselle (cf. annexe n°2 du bassin
versant). Elle draine un bassin versant de 82,5 km².
Depuis sa source à sa confluence avec la Moselle, la Fensch traverse les communes de
Fontoy, Knutange, Nilvange, Hayange, Serémange-Erzange, Florange, Uckange et une partie
de celle d’Illange.
Figure 1 : Carte de localisation de la Fensch
Ses principaux affluents sont, de l’amont à l’aval :
- Le ruisseau d’Algrange, en rive gauche, confluant avec la Fensch à
Knutange et drainant un bassin versant de 8,6 km² ;
- La Petite Fensch, en rive droite, traversant les communes de Neufchef
et d’Hayange et ayant un bassin versant de 7km² ;
- Le ruisseau du Marspich en rive gauche, confluant avec la Fensch à
Serémange-Erzange et qui a un bassin versant de 6,9 km² ;
- Le Kribsbach en rive droite qui se jette dans la Fensch, 1km en amont
de sa confluence avec la Moselle et qui draine un bassin versant de 22,5km².
Le bassin versant superficiel de la Fensch est caractérisé par un taux
d’imperméabilisation de l’ordre de 25%. Ceci est du à de fortes urbanisations et
industrialisations du val de Fensch en particulier sur la partie aval du cours d’eau de Knutange
à Florange. D’ailleurs sur ce tronçon, la Fensch est largement canalisée voire même couverte
sur plusieurs centaines de mètres afin d’assurer les besoins des industries métallurgiques
implantées à proximité du cours d’eau.
Source de la Fensch
Confluence avec la
Moselle
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I.1.2 Hydrogéologie
Le bassin de la Fensch fait partie intégrante du bassin Nord du bassin ferrifère lorrain
[10] lequel est formé d’un aquifère calcaire fracturé et localement karstique (nappe du
Dogger) et des compartiments résultants de l’exploitation minière.
Les relations entre les eaux superficielles de la Fensch et les eaux souterraines du
bassin versant permettent de distinguer l’amont et l’aval du cours d’eau. La Fensch possède
en effet une typologie de rivière de plateau calcaire jusqu’au droit du Marspich puis de rivière
de plaine argileuse jusqu’à sa confluence avec la Moselle.
En amont, la Fensch s’écoule à travers les cotes mosellanes du calcaire du Dogger. Il
en résulte des écoulements spécifiques au milieu karstique avec des phénomènes de
résurgences ou de sources dont la plus importante est celle de la Fensch à Fontoy.
En aval, le cours d’eau atteint des milieux argileux et marneux qui constituent une
couche imperméable jusqu’à la confluence avec le Marspich. Ensuite le sol est principalement
constitué d’alluvions graveleuses et limoneuses jusqu’à la confluence avec la Moselle.
I.2 Contraintes humaines
I.2.1 Population
Le bassin versant de la Fensch comporte 10 communes rattachées au canton de
Fontoy, Algrange, Hayange et Florange [1]. Au recensement de 1999, la population totale
s’élevait à 52 300 habitants. La densité de population, assez faible dans la partie amont (< 200
hab. /km²) est très forte à l’aval du cours d’eau (700 à près de 2000 hab. /km²). A l’échelle du
bassin, elle est 3 fois plus importante que celle du département de la Moselle (160 hab. /km²)
et 5 fois plus que celle de la France (105 hab. /km²). Entre 1990 et 1999, le val de Fensch a
connu une diminution du nombre d’habitants sur la quasi-totalité des communes de l’ordre de
3%. Les causes sont la fermeture des mines de fer et la restructuration des usines
sidérurgiques de la vallée. La structure de la population connait alors un changement :
vieillissement de la population due à l’arrêt des flux d’immigrants et départ des jeunes actifs
vers d’autres bassins d’emploi.
I.2.2 Occupation du sol
La forêt occupe 36% de la surface du bassin versant de la Fensch [3]. Elle est présente
sur les versants abrupts de la vallée de la Fensch et des vallons affluents, ainsi qu’une partie
du revers de la côte Mosellane.
Les surfaces dédiées à l’agriculture représentent 21 % des sols et sont également
présentes à l’amont du bassin. Les terrains agricoles sont essentiellement voués à la culture
céréalière. D’importantes surfaces agricoles sont aussi dédiées à la prairie ou laissées en
friches dans les zones trop pentues.
Le fond des vallées et toute la partie aval du bassin sont fortement habités ou
industrialisés. Les zones urbanisées représentent 25% de la superficie totale du bassin versant.
Le reste de la superficie est occupé par des friches industrielles ou agricoles.
I.2.3 Habitat
Dans la partie amont du bassin versant, l’habitat est dispersé [3]. Il est représenté soit
par de grandes exploitations agricoles soit par des villages ruraux traditionnels bordés
d’anciennes cités minières.
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Dans le reste du bassin versant, l’habitat s’étale dans l’axe des cours d’eau. Il se
densifie de l’amont vers l’aval, depuis Knutange jusqu’à Florange.
Trois structures d’habitats se juxtaposent : centres anciens, citées ouvrières ou grands
ensembles collectifs et constructions récentes de type pavillonnaire (lotissements, maisons
individuelles). Ces dernières sont généralement implantées en bordure de Fensch sur les
terrains laissés en friche par l’exploitation minière.
I.2.4 Les activités économiques
Anciennement tournée vers l’agriculture et la sylviculture, la vallée de la Fensch s’est
fortement industrialisée au cours du 19° siècle pour se tourner principalement vers les
activités liées à l’exploitation minière (extraction et traitement du fer). La population locale
est majoritairement ouvrière et, dans des proportions moindres, tertiaires et primaires.
L’agriculture et forêt :
L’agriculture dans le bassin versant est tournée vers la culture céréalière et les oléo-
protéagineux. L’élevage est quant à lui une activité d’appoint.
Elle représente l’activité dominante des communes situées dans la partie amont du
bassin versant : 20 à 60 % des surfaces de ces communes sont consacrées à l’agriculture. Les
exploitations agricoles sont de taille importante (30 à 60 Ha en moyenne).
En revanche, dans les communes situées à l’aval, l’agriculture est peu représentée et
les exploitations sont moins importantes (10 à 15 Ha)
La population familiale agricole est en nette diminution depuis 1988 : on est passé de
197 actifs familiaux en 1988 à 62 en 2000.
La forêt couvre une surface importante du bassin versant. Les boisements sont gérés
soit par l’Office National des Forêts soit par les communes elles-mêmes.
Les industries :
La sidérurgie Lorraine [1] se situe au deuxième rang national pour la production
d’acier (25%). En 1964, elle produisait les 2/3 de l’acier français. Depuis 1987, la sidérurgie
appartient au groupe Usinor-Sacilor aujourd’hui Arcelor-Mittal. La crise économique et la
concurrence internationale ont entrainé des restructurations qui se sont traduites par de
nombreuses fermetures de mines et d’industries.
Dans le Val de Fensch, l’activité minière, anciennement prépondérante dans toute la
partie amont de la vallée, a complètement disparu [1] depuis la fermeture des dernières mines
de fer au début des années 1990. La reconversion de certaines vallées parait difficile.
Cependant, la revalorisation foncière et paysagère est engagée dans certains secteurs. Ainsi à
Knutange, par exemple, l’ancienne usine de la Paix a été rachetée et les terrains ont été
réaménagés.
L’activité sidérurgique est encore bien implantée en aval de la vallée de la Fensch. A
l’heure actuelle, il ne reste que quelques filières sur l’important complexe industriel qui était
présent jusqu’aux années 1970. La filière fonte est peu à peu abandonnée au profit du
laminage et de la production de produits longs. Les industries, fortes consommatrices d’eau
sont installées en bordure de Fensch. La fermeture de plusieurs haut-fourneaux pose le
problème de la reconversion des sites. Dans certains cas, des activités artisanales se
développent.
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Commerces et services :
Les communes de Fontoy, Algrange, Hayange et Florange sont bien fournies en
services (banques, écoles, médecins…) et en commerces (alimentation…). En revanche, les
autres communes de la vallée ne sont équipées que de petits commerces alimentaires de base.
I.2.5 Assainissement
L’assainissement communal [15] est géré par le Syndicat Intercommunal Eau et
Assainissement de Fontoy – Vallée de la Fensch (SEAFF). Il regroupe 15 communes soit
77 000 habitants.
Le SEAFF collecte les eaux usées d’une région fortement industrialisée. Ce réseau est
majoritairement unitaire et est raccordé à la station d’épuration de Florange. La gestion des
eaux pluviales est assurée par la présence de plus de 110 déversoirs d’orage dont certains sont
le lieu de surverses permanentes vers le milieu récepteur qu’est la Fensch.
En ce qui concerne les eaux domestiques, en 1993, le taux moyen de raccordement est
de 80% environ. Seule la commune de Havange n’est pas rattachée à la station d’épuration de
Maisons-neuves. Le réseau étant unitaire, lors d’événements pluvieux, il risque d’y avoir une
forte dilution des eaux usées et donc un rendement épuratoire diminué.
L’insuffisance du taux de collecte et du rendement épuratoire des eaux domestiques de
la station de Florange contribue à la pollution de la Fensch.
Quant aux eaux industrielles, l’assainissement est incomplet et les rejets qui affectent
la Fensch de façon chronique concourent fortement à la dégradation du milieu récepteur. La
plupart des grosses industries implantées dans la vallée de la Fensch ont une station
d’épuration propre avec décanteur-déshuileur et les eaux de lavage des haut-fourneaux sont
recyclées. Cependant, la pollution industrielle reste importante tant au niveau physico-
chimique que biologique et toxique.
I.3 L’activité minière en Lorraine
Le bassin ferrifère lorrain, centré sur Briey, s’étend sur trois départements : la
Moselle, la Meurthe-et-Moselle et la Meuse. Il couvre 1 000km² [16]. Le minerai exploité est
constitué de 9 couches de grès calcaire ferrugineux, séparés par des niveaux marneux. Au vu
de l’épaisseur des couches minéralisées, l’exploitation n’a jamais dépassé deux niveaux. Cet
ensemble est recouvert de marnes « micacées2 » peu perméables et peu épaisses, et qui le
séparent du réservoir aquifère du calcaire du Dogger.
L’exploitation minière [4] a débutée il y a plus d’un siècle. Elle était à l’origine
effectuée par « traçage3 ». Puis dans le but d’augmenter la quantité de minerai produit, le
système des piliers et chambres a été employé ainsi que le dépilage4 qui a abouti à un intense
effondrement du toit des galeries et à la fissuration des marnes « micacées ». Un drainage de
la nappe en a alors résulté. Les différentes phases d’exploitation des mines sont rappelées en
annexe n°3.
Dans les années 1980, le bassin ferrifère exhaurait de 100 à 250 millions de m3 d’eau
par an avec d’importantes variations saisonnières.
2 Qui contient du mica.
3 Les galeries résultantes restent sur place.
4 Abattement des piliers des galeries conduisant à l’effondrement du plafond
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I.4 Impact de l’activité minière
L’activité minière a eu pour conséquences une modification du bassin versant de la
Fensch [3]. En effet, les travaux miniers ont mis en communication par l’intermédiaire des
galeries, plusieurs bassins annexes : Conroy et Kaelbach par exemple. Les galeries ont alors
drainé une partie des eaux infiltrées dans les mines vers des points de sortie plus bas et qui
débouchent sur la Fensch. Le bassin topographique du cours d’eau est donc plus étendu que le
bassin versant topographique (30 à 40 km² en plus).
L’exploitation des mines a également des conséquences sur le débit de la Fensch. En
effet, la communication directe qu’existe maintenant entre les galeries et le cours d’eau ont
engendré des pointes de débits qui dépendent de la réaction du bassin ferrifère. Ainsi suite à
un évènement pluviométrique important type décennal [8], il y a deux ondes
pluviométriques :
- L’une rapide et pointue traduisant la réaction du bassin versant
(surfaces imperméabilisées).
- L’autre, décalée dans le temps de plusieurs jours, beaucoup plus plate,
correspondant aux rejets des mines.
I.5 Exemple des autres bassins déjà ennoyés Dans le bassin centre (cf. figure n°2 pour localisation des bassins), les pompages
d’exhaure ont été arrêtés en 1993 [11] conduisant à un premier débordement en décembre
1998. Dans le bassin Sud, l’arrêt des pompages d’exhaure a eu lieu en 1995 avec un premier
débordement en décembre 1998. Les principaux effets de l’ennoyage alors observés furent des
modifications du régime des nappes, de la qualité des eaux souterraines et de la tenue des
terrains.
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Figure 2 : Carte des bassins Centre, Sud et Nord
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I.5.1 Qualité des eaux souterraines
Les eaux d’ennoyage des réservoirs miniers se sont chargées en sels dissous (sulfates
et sodium principalement) [2] par solubilisation de minéraux néoformés5 dans les mines.
L’évolution de la teneur en sulfates dans les bassins Sud et Centre est rappelée en annexes n°4
et 5. Cette minéralisation rend les eaux impropres à la consommation humaine sans traitement
spécifique. Elle n’est pas définitive et va évoluer à la baisse au fur et à mesure du
renouvellement des eaux des réservoirs miniers par des eaux d’infiltration peu minéralisées et
par évacuation du stock de minéraux solubles par les eaux de débordement des réservoirs
miniers. A titre d’exemple, le temps de renouvellement du bassin Centre est estimé à 8-10 ans
et celui du bassin Sud à 2 ans. Cependant, la baisse de la minéralisation jusqu’à une qualité
« eau potable » peut prendre plusieurs décennies.
L’arrêt des pompages d’eau d’exhaure des mines a bouleversé l’hydrologie des cours
d’eau surtout pour l’étiage. C’est pourquoi des pompages ont été préservés afin d’assurer un
débit suffisant lors de l’étiage.
Exemple du bassin Sud :
Le seul pompage du bassin Sud est celui de Droitaumont sur l’Yron (cf. figure n°2).
Ce pompage permet d’assurer l’étiage de l’Yron. En ce qui concerne les eaux souterraines, ce
pompage n’a pour seule conséquence que la minéralisation des eaux de l’Orne et donc
d’augmenter la teneur en sulfates des eaux pompées au forage de Haropré à Joeuf qui permet
l’alimentation en eau potable de la ville de Joeuf. Ces pompages entrainent une réalimentation
de la nappe du Dogger via l’Orne. Il est à noter que depuis quelques années, la teneur en
sulfates n’a jamais dépassé la limite de qualité des eaux destinées à la consommation
humaine.
Exemple du bassin Centre :
Trois points de pompage dans le bassin Ouest (cf. figure n°2) assurent l’étiage de
cours d’eau :
- Amermont pour l’Othain.
- Tucquegnieux pour le Woigot.
- Anderny pour le ruisseau de La Vallée.
Le pompage d’Amermont a peu d’influence sur les eaux souterraines. Le Woigot est
soutenu par le pompage de Tucquegnieux. Ce dernier n’a pas d’incidence sur la qualité des
eaux souterraines car il draine les eaux de la nappe du Dogger. Quant au ruisseau de La
Vallée, il est perdant dans sa partie amont. Une partie des eaux du pompage d’Anderny
s’infiltre dans la nappe du Dogger et provoque une minéralisation de celle-ci.
I.5.2 Qualité des eaux superficielles
L’Othain :
Le cours d’eau est soutenu par pompage à partir de l’ancien puits de la mine
d’Amermont, en amont du bassin versant de l’Othain. Il concerne donc la quasi-totalité du
linéaire du cours d’eau. En aval, l’Othain draine la nappe du calcaire du Dogger et est bien
alimenté. L’arrêt du soutien d’étiage n’affecterait que la partie amont. Des arrêts momentanés
ont déjà lieu (de l’ordre de la journée ou de la semaine) et affectent déjà le cours d’eau pour
assurer la prise d’eau dans l’Othain pour l’alimentation en eau potable de Longwy. Cela
5 Se dit d’un minéral qui provient de la néoformation (constitution de nouveaux minéraux à partir d’éléments en
solution).
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affecte la vie piscicole sur le tronçon amont compris entre Dommary-Baroncourt et Saint
Laurent sur Othain. La rareté des écoulements en amont entraine une mauvaise qualité de
l’eau de l’Othain. La pollution organique sur le cours d’eau est importante. Ceci est aggravé
par le fait que le tracé de la rivière est rectiligne sans ripisylve et de pente faible d’où une
mauvaise oxygénation des eaux superficielles. En aval, l’Othain retrouve la nappe du Dogger
et connait une amélioration de sa qualité physico-chimique. A l’aval du plan d’eau de
Marville, la qualité biologique s’améliore. Les projections de la qualité de l’Othain à l’horizon
2008 et 2015 confirment la nécessité du soutien du débit à l’étiage. Cependant, un arrêt du
soutien permettrait de rendre son caractère naturel au cours d’eau.
L’Yron :
Le seul phénomène hydrographique important sur le cours d’eau est la disparition des
assèchements de l’Yron en étiage, conséquences de l’ennoyage des mines qui a précédé la
remontée de la nappe des calcaires du Dogger.
Pendant l’exploitation minière, l’Yron a connu des périodes d’assec estivales du lit
mineur sur le tronçon jusqu’à Droitaumont. Depuis l’ennoyage et le débordement du bassin
Sud, la nappe du Dogger s’est reconstituée et les écoulements sur le tronçon précédent sont de
nouveau présents y compris lors de l’étiage.
Les rapports de suivi physico-chimique et biologique montrent que la qualité du cours
d’eau est mauvaise à cause d’apports organiques. Les eaux de la mine de Droitaumont
contribuent à une dissolution des pollutions.
I.6 Ennoyage du bassin Nord et ses conséquences sur la Fensch
I.6.1 Conséquences sur les débits de la Fensch
Remarque : Le schéma de principe de fonctionnement du système d’exhaure actuel du bassin Nord est donné en
Annexe n°6.
En basses eaux :
En amont de Knutange [10], la nature imperméable du sol engendre des périodes
d’assec de la source de la Fensch à Fontoy. A partir de Knutange et jusqu’à la confluence
avec la Moselle, le débit de la Fensch est fortement influencé par les apports d’origine
humaine (rejets et pompages des industries, rejet de la station d’épuration…). L’ensemble des
rejets dans la Fensch est estimé à 500 l/s.
Rapport de Travail de Fin d’Etudes Florence Mangez
Juillet 2008
24
D’après les données de l’Agence de l’Eau Rhin-Meuse, les débits à l’étiage sont
estimés dans les tableaux 1 et 2, pour des périodes de retour différentes :
Débits d’étiage Débits mensuels d'étiage (m3/s)
Tretour = 2 ans Tretour = 5 ans Tretour = 10 ans La Fensch à Fontoy 0,000 0,000 0,000
La Fensch à l'amont de l'exhaure de la
Paix 0,000 0,000 0,000
Exhaure de la mine de la Paix (a) 0,263 0,193 0,153 Prise d'eau AEP du SEAFF (b) 0,033 0,033 0,033
Apports de l’ovoïde de Burbach et du
Ru d’Algrange (c) 0,050 0,040 0,030
Apport de la Petite Fensch (d) 0,100 0,070 0,050
La Fensch en aval de la Petite Fensch
(a - b + c + d) 0,380 0,270 0,200
Tableau 1 : débits d’étiage estimés de la Fensch avant ennoyage
Débits d’étiage Débits mensuels d'étiage (m3/s)
Tretour = 2 ans Tretour = 5 ans Tretour = 10 ans
La Fensch à Fontoy 0,000 0,000 0,000
La Fensch à l'amont de la galerie de
la Paix 0,000 0,000 0,000
Potentiel de débordement de la mine
de la Paix (e) 0,750 0,550 0,470
Prélèvements hors débordement à la
galerie de la Paix (f) 0,500 0,500 0,500
Débordement à la galerie de la Paix
(e - f) 0,250 0,050 0,000
Apports de l’ovoïde de Burbach et
du Ru d’Algrange (c) 0,050 0,040 0,030
Apport de la Petite Fensch (d) 0,100 0,070 0,050
La Fensch en amont de la Petite
Fensch (e - f + c + d) 0,400 0,160 0,080
Tableau 2 : débits d’étiage estimés de la Fensch après ennoyage
Les débits d’étiage après ennoyage du bassin Nord seront donc sensiblement les
mêmes par rapport à la situation actuelle pour les périodes de retour plus faibles. En revanche,
pour des périodes de retour plus longues, le débit d’étiage est moins important.
Il est à noter qu’en théorie, pendant la phase d’ennoyage, il n’y aura pas de rejets
provenant de la galerie de la Paix. Le tronçon entre la galerie de la Paix et la Petite Fensch ne
pourra être alimenté que par l’ovoïde de Burbach6. Cependant, cette période sera courte
environ deux ans et la faiblesse des débits d’étiage aura donc peu de conséquences sur la
qualité de la Fensch.
6 Emissaire jouxtant le bassin centre et drainant, légèrement en aval de la galerie de la Paix, le petit réservoir du
même nom déjà ennoyé.
Rapport de Travail de Fin d’Etudes Florence Mangez
Juillet 2008
25
En hautes eaux :
Plusieurs études ont été réalisées sur cette problématique :
- INGEROUTE en 1983
- Ecole supérieure de Géologie de Nancy (ENSG) en 1992
- BCEOM en 1994
- ANTEA en 1996 et en 1999
- SINBIO en 2003.
Ces études permettent d’évaluer les débits pour des périodes de retour de 10 (Q10), 50
(Q50) et 100 ans (Q100) avant et après l’ennoyage du bassin Nord qui sont établis dans le
tableau 3.
Par ailleurs, les pointes de débits provenant des eaux de ruissellement et les pointes de
débits des apports des galeries (galerie de la Paix, du Haut-Pont et de Fontoy et, l’ovoïde du
Burbach) sont décalées dans le temps, d’après les études menées par ARBED et ANTEA.
ANTEA estime ainsi que 65 à 80% du pic de débit issu de la mine serait susceptible de se
cumuler avec les débits naturels de la Fensch.
Avant ennoyage Après ennoyage
Galerie de Knutange
Q10 2,4 m3/s 5,6 m
3/s
Q50 2,6 m3/s 6,5 m
3/s
Q100 3,5 m3/s < 7,1 m
3/s
Ovoïde de Burbach
Q10 à Q100 < 1,2m3/s < 1,2m
3/s
Galeries Haut-Pont et Fontoy
Q10 0 0
Q50 1 m3/s 1 m
3/s
Q100 > 1 m3/s > 1 m
3/s
Bilan
Q10 2,4 à 3,6 m3/s 5,6 à 6,8 m
3/s
Q50 3,6 à 4,8 m3/s 7,5 à 8,7 m
3/s
Q100 4,5 à 5,7 m3/s 8,1 à 9,3 m
3/s
Tableau 3 : Débits pour les périodes de retour 10, 50 et 100 ans avant et après ennoyage.
En faisant une moyenne des valeurs, les tableaux 4,5 et 6 donnent les débits dans la
Fensch après ennoyage et les contributions des apports de la mine :
Q10 Localisation Surface du BV (km²)
Débits actuels (m3/s) Débits futurs (m3/s)
Naturels Mines Total Naturels Mines Total
Aval galerie de la Paix 25 8,1 2,22 10,32 8,1 4,54 12,64
Amont confluence Petite
Fensch 32,9 10 2,22 12,22 10 4,54 14,54
Aval confluence Petite
Fensch 39,9 11,7 2,22 13,92 11,7 4,54 16,24
Amont confluence Ruisseau
du Marspich 41,4 12,1 2,22 14,32 12,1 4,54 16,64
Aval confluence Ruisseau du
Marspich 48,4 13,7 2,22 15,92 13,7 4,54 18,24
Station de Maison Neuve 58,9 16 2,22 18,22 16 4,54 20,54
Aval Confluence Ruisseau du
Kribsbach 82,6 21 2,22 23,22 21 4,54 25,54
Confluence canal Moselle 82,6 21 2,22 23,22 21 4,54 25,54 Tableau 4 : Estimation des débits de crues de la Fensch avant et après ennoyage pour la période de retour
10 ans.
Rapport de Travail de Fin d’Etudes Florence Mangez
Juillet 2008
26
Q50 Localisation Surface du BV (km²)
Débits actuels (m3/s) Débits futurs (m3/s)
Naturels Mines Total Naturels Mines Total
Aval galerie de la Paix 25 14,2 3,09 17,29 14,2 5,92 20,12
Amont confluence Petite
Fensch 32,9 17,7 3,09 20,79 17,7 5,92 23,62
Aval confluence Petite
Fensch 39,9 20,6 3,09 23,69 20,6 5,92 26,52
Amont confluence Ruisseau
du Marspich 41,4 21,3 3,09 24,39 21,3 5,92 27,22
Aval confluence Ruisseau du
Marspich 48,4 24,1 3,09 27,19 24,1 5,92 30,02
Station de Maison Neuve 58,9 28,2 3,09 31,29 28,2 5,92 34,12
Aval Confluence Ruisseau du
Kribsbach 82,6 36,9 3,09 39,99 36,9 5,92 42,82
Confluence canal Moselle 82,6 37 3,09 40,09 37 5,92 42,82 Tableau 5 : Estimation des débits de crues de la Fensch avant et après ennoyage pour la période de retour
50 ans.
Q100 Localisation Surface du BV (km²)
Débits actuels (m3/s) Débits futurs (m3/s)
Naturels Mines Total Naturels Mines Total
Aval galerie de la Paix 25 16,9 3,74 20,64 16,9 6,35 23,25
Station de Maison Neuve 58,9 33,5 3.74 37.24 33.5 6.35 39.85
Aval Confluence Ruisseau du
Kribsbach 82.6 43.9 3.74 47.64 43.9 6.35 50,25
Confluence canal Moselle 82,6 44 3,74 47,64 44 6,35 50,35 Tableau 6 : Estimation des débits de crues de la Fensch avant et après ennoyage pour la période de retour
100 ans.
I.6.2 Conséquences sur la qualité de la Fensch
Grâce à l’expérience acquise au niveau des bassins Sud et Centre [10], l’ennoyage des
bassins entraine une minéralisation en sulfates et donc une diminution de la qualité de l’eau
des réservoirs miniers. Par analogie, le bassin Nord pourra subir le même phénomène et les
eaux de débordement pourront elles aussi être altérées. Cette minéralisation rendra surement
l’eau impropre à toute utilisation (alimentation en eau potable et alimentation des industries).
Cependant, il est impossible de prévoir à l’heure actuelle quelles seront les
concentrations des eaux de débordement car la masse totale de minéraux pouvant être dissouts
n’est pas répartie de manière homogène dans une même couche. La connaissance de la
concentration en sulfates devra donc attendre que le bassin soit ennoyé ou que les eaux de
débordement soient analysées. A partir de là, le temps de renouvellement des eaux du bassin
minier pourra être estimé afin de revenir à une qualité des eaux « bonne ».
Rapport de Travail de Fin d’Etudes Florence Mangez
Juillet 2008
27
La qualité des eaux rejetées dans la Fensch au niveau de la galerie de la Paix sera donc
proche des concentrations observée dans le réservoir minier. Elle pourra toutefois être
influencée par les variations saisonnières des eaux d’infiltration qui seront plus ou moins
chargées.
I.7 Etat biologique de la Fensch
I.7.1 Qualité de l’eau
Afin de surveiller la qualité de la Fensch [10], une station du réseau national de bassin
(RNB) et trois stations du réseau de suivi des bassins miniers (RBM) sont présentes sur le
cours d’eau. Une quatrième station du RBM est placée sur le Kribsbach, à l’aval du bassin
versant de cet affluent de la Fensch et après passage sous le site sidérurgique de SOLLAC
Saint Agathe à Florange. La station du RNB est située à l’aval du rejet de la station
d’épuration de Florange. Elle n’est séparée de la Moselle que par le port d’Illange où aucun
rejet ne semble présent. Les trois stations du RBM sont situées tout le long du cours d’eau.
Globalement, la qualité de la Fensch va en décroissant de l’amont vers l’aval pour
l’ensemble des paramètres classiques tels que matières organiques, phosphore, azote… La
qualité est dite « bonne » à Fontoy, « passable » à partir de Knutange et « mauvaise » à partir
de Serémange-Erzange. Le tableau 7 montre l’historique de la qualité de la Fensch depuis
2001 dans le cadre du référentiel de description de la qualité des eaux des cours d’eau de
1971 :
Localisation Année Qualité générale
La Fensch à Fontoy
2001 1B
2002 1B
2003 1B
La Fensch à Knutange
2001 2
2002 2
2003 2
La Fensch à
Serémange-Erzange
2001 3
2002 3
2003 3
La Fensch à Florange
2001 HC7
2002 3
2003 3 Tableau 7 : Qualité de la Fensch de 2001 à 2003
De plus, le développement de peuplements piscicoles équilibrés est très fortement
entravé sur la totalité du cours d’eau pour les raisons suivantes :
- La non pérennité de l’écoulement notamment à l’amont des tronçons et
qui se traduit pas des assecs en périodes d’étiage estivaux et hivernaux ;
- La couverture de la Fensch dans les secteurs urbanisés et industriels
(Hayange, Serémange-Erzange, Florange…) ;
- La pollution fréquente du cours d’eau qui perturbe fortement l’équilibre
du milieu récepteur ;
- La présence d’obstacles infranchissables qui entravent la libre
circulation des poissons.
7 HC = Hors Catégorie
Rapport de Travail de Fin d’Etudes Florence Mangez
Juillet 2008
28
En conclusion, la qualité de la Fensch est mauvaise malgré des améliorations depuis
quelques années. L’évolution de cette qualité dans l’avenir semble moins dépendre de
l’ennoyage que de l’activité humaine (rejets industriels…). En ce qui concerne la
minéralisation des eaux d’exhaure, l’augmentation de la teneur en sulfates des eaux provenant
de la galerie de la Paix sera un facteur aggravant de la qualité de la Fensch.
I.7.2 Les rejets d’origine humaine dans la Fensch
Les principaux rejets d’origine humaine dans la Fensch pouvant modifier sa qualité
sont des rejets industriels, d’eaux usées domestiques et d’eaux pluviales.
Les rejets industriels sont essentiellement dus aux usines sidérurgiques du groupe
Arcelor-Mittal présentes de Hayange à Florange. Une réduction des débits et des principaux
flux polluants industriels rejetés dans la Fensch est prévisible d’ici 5 à 6 ans du fait de la
perspective de mise en place de nouveaux procédés visant la réutilisation des eaux pluviales
puis le « zéro rejet » sur l’usine de SOLLAC à Serémange-Erzange. Les eaux de rejets
industriels peuvent également contenir des micropolluants.
L’usine SOLLAC possède une unité de nanofiltration pour l’alimentation en eau de
l’industrie à partir de la galerie de la Paix ce qui entrainera une augmentation du rejet de
sulfates proportionnelle à l’augmentation de la teneur dans les eaux d’exhaure. Le flux de
sulfates est estimé entre 15 et 40 tonnes par jour.
Les eaux usées domestiques des treize communes du basin versant sont évacuées vers
la station d’épuration de Florange. Cette dernière a longtemps connu des problèmes de qualité
des rejets. Mais elle a été remplacée en 2003 par une nouvelle station répondant aux
exigences de la directive cadre européenne « eaux résiduaires urbaines » (ERU).
Concernant les eaux pluviales, elles peuvent avoir un impact tant au niveau quantitatif
que qualitatif. Comme pour les rejets industriels, les eaux pluviales peuvent contenir des
micropolluants provenant du lessivage des chaussées ou des toitures.
I.7.3 La qualité des sédiments
Les analyses [1] de la Fensch et du Kribsbach révèlent une pollution de l’eau et des
sédiments par le plomb, le cuivre, le zinc, le chrome et le cadmium.
Une analyse IOBS8 réalisée par l’institut Pasteur [1] met en évidence une quantité
importante de matière organique assimilable par les vers au vu de la densité des échantillons
prélevés. De plus, les valeurs des TUSP9 témoignent de la présence de micropolluants tels que
HAP10
en amont de la Fensch et tels que métaux lourds et PCB en aval du cours d’eau. Les
indices IOBS sont de l’ordre de 0,7-0,8 et montrent une mauvaise qualité des sédiments (pour
les sédiments de « bonne qualité », l’indice est supérieur à 6).
8 Indice Oligochètes Biologique des Sédiments fins
9 Pourcentage de Tubificidae sans soies capillaires
10 Hydrocarbure Aromatique Polycyclique
Rapport de Travail de Fin d’Etudes Florence Mangez
Juillet 2008
29
II. Hydrologie
II.1 Principe
L’étude hydrologique doit définir les débits de crues pour les périodes de retour : 10,
25, 50 et 100 ans dans deux configurations distinctes :
- Débits naturels + exhaures de mines (situation actuelle)
- Débits naturels + débits supplémentaires lié à l’ennoyage des mines
(situation future).
Elle se base essentiellement sur les études antérieures qui ont permis de déterminer les
différents débits naturels et d’exhaure :
- Etude hydraulique complémentaire de la rivière Fensch-1° phase : Etat
initial et situation après arrêts des exhaures, BCEOM, Juin 1994
- Etude relative à la protection des zones urbanisées contre les
inondations de la Fensch et à la restauration de la Fensch et de ses affluents, Sinbio-Silène,
Juillet 2003.
II.2 Méthode de détermination des débits de projet
Les débits de projet peuvent être déterminés selon plusieurs méthodes :
- Les synthèses régionales basées sur l’extrapolation des débits
décennaux préalablement déterminés à l’aide de formules empiriques telles que SOCOSE,
CRUPEDIX, SOGREAH…
- Les méthodes pseudo-empiriques telles que la méthode rationnelle.
Chacune de ces méthodes possède son champ d’application :
Méthode de détermination des débits Champ d’application
CRUPEDIX 10 < Surface du BV (km²) < 200
SOGREAH 1 < Surface du BV (km²) < 100
SOCOSE 2 < Surface du BV (km²) < 200
Rationnelle Petits bassins homogènes Tableau 8 : Comparaison des méthodes de détermination des débits de projets
II.2.1 Bassin versant
Les caractéristiques physiques générales du bassin versant de la Fensch ont
été décrites en première partie.
Le bassin topographique de la Fensch couvre une surface de 82,8 km² et présente une
forme allongée en croissant. La longueur du plus grand cheminement hydraulique du bassin
est de 14,5km.
Le bassin d’alimentation de la Fensch est cependant plus étendu que son bassin
topographique du fait de la présence des mines. Les travaux miniers ont mis en
communication d’autres bassins annexes (Conroy et Kaelbach) et une partie des eaux
Rapport de Travail de Fin d’Etudes Florence Mangez
Juillet 2008
30
infiltrées dans les mines est drainée par des galeries dont les points de sortie débouchent dans
la Fensch.
II.2.2 Temps de concentration
Le temps de concentration du bassin versant a été estimé selon plusieurs formules :
- Formule de SOGREAH : 5,035,035,0015,0 −− ×××= ICSTc
- Formule de Passini : ( )
I
LSTc
3
108,0×
×=
- Formule de Kirpich : 385,0
77,051045,32
I
LTc ××= −
- Formule de Turraza : I
LSTc
3
1,0×
×=
- Formule de Ventura : I
LSTc
3
127,0 ×=
Avec S, la surface du bassin versant (82,8 km²)
C, le coefficient de ruissellement (0,46)
I, la pente (1,8%)
L, la longueur du plus long chemin hydraulique (14,5 km).
Les résultats sont les suivants :
Formule Temps de concentration (h)
SOGREAH 3,4
Passini 8,6
Kirpich 2,4
Turraza 8
Ventura 8,6 Tableau 9 : Temps de concentration selon différentes méthodes
Les formules de Kirpich et de SOGREAH ont tendance à sous-estimer ce temps de
concentration. La formule de Passini présente l’avantage d’utiliser le plus de paramètres et
parait donc plus fiable. Par conséquent, la valeur de 8,6 heures soit 513 minutes est retenue.
II.2.3 Coefficient de ruissellement
La grande majorité du bassin versant (61,8 km²) est de type rural. Un coefficient de
ruissellement de 0,3 est attribué à cette partie rurale.
Le reste du bassin versant (21 km²), le long de la Fensch, est largement urbanisé et
industrialisé. Le coefficient de ruissellement est alors plus élevé : 0,90.
Remarque : Ce dernier semble élevé même pour la partie avale du bassin versant considérée
car 0,90 correspond à une valeur élevée pour des surfaces en bitume ce qui signifierait qu’il y
a aucune zone moins imperméable telle que des jardins, des espaces verts…Cette valeur
provient de l’étude de BCEOM de 1994. Il faudrait donc la recalculer à partir de la pluie nette
et de la pluie brute pour la situation actuelle.
Rapport de Travail de Fin d’Etudes Florence Mangez
Juillet 2008
31
Le coefficient global de ruissellement vaut alors :
( ) ( )8,82
3.08,6190,021 ×+×=
×=∑
totale
ii
S
SCC = 0,46
II.2.4 Détermination des débits de pointe à l’exutoire
� Méthode rationnelle Le calcul du débit de pointe se base ici sur la méthode rationnelle :
( )btaSCISC
Q −×××
=××
=6,36,3
Avec C, le coefficient de ruissellement,
S, la superficie (km²),
I, l’intensité de la pluie (mm/h),
a et b, les coefficients de Montana.
Les coefficients de Montana pour une période de retour de 10 ans, sont ceux de la
station météorologique de Metz, station la plus proche de la Fensch :
a = 6,4 et b = -0.68.
L’intensité est calculée à partir du temps de concentration du bassin versant soit 8,5
heures.
Le débit de pointe est alors de 15,8 m3/s.
� Méthode du réservoir linéaire La méthode du réservoir linéaire [9] permet de calculer un débit de pointe à partir
d’une pluie de projet. Une pluie de projet est une pluie fictive définie par un hyétogramme
synthétique et statistiquement représentative des pluies réelles, bien que jamais observée. On
utilise en général, la pluie de Desbordes.
Construction d’une pluie de Desbordes
La pluie de Desbordes [17] est un type de pluie de projet, pluie représentée par un
double triangle. Elle possède 5 paramètres :
- La durée totale de pluie souvent égale à 4h
- La durée de la période de pluie intense,
- La position de la pointe de la pluie intense par rapport au début de la
pluie,
- La hauteur d’eau tombée pendant la période de pluie intense,
- La hauteur tombée pendant la totalité de la pluie.
Dans notre cas, nous prendrons une durée totale de pluie de 4 heures, une durée de
pluie intense d’une heure. La position de la pointe est située au milieu de la pluie totale. Les
hauteurs d’eau ont été calculées à partir des lois de Montana.
Rapport de Travail de Fin d’Etudes Florence Mangez
Juillet 2008
32
La pluie de Desbordes obtenue [13] est la suivante :
Figure 3 : Pluie de Desbordes
Par cette méthode, le débit de pointe est de 15,4 m3/s.
� Conclusion Les débits de pointe décennaux obtenus à l’exutoire du cours d’eau par la méthode
rationnelle et par la méthode du réservoir linéaire sont les suivants :
Débit de pointe décennal à l’exutoire (m3/s)
Méthode rationnelle Méthode du réservoir linéaire
15,8 15,4 Tableau 10 : Comparaison des débits de pointe
Les débits de pointe à l’exutoire varient donc de 3%. Ce sont sensiblement les mêmes
mais nous retiendrons quand même le plus élevé soit celui issu de la méthode rationnelle dans
un souci de minimisation des risques.
Les débits de pointe centennaux n’ont pas été déterminés à cause de l’absence de
données sur les coefficients de Montana pour cette période de retour.
II.2.5 Détermination des débits de projet à partir de la méthode du GRADEX
En l’absence de données hydrométriques fiables, la méthode du Gradex sera
appliquée. Elle considère qu’au delà d’un certain débit le plus souvent décennal ou
vingtennal, toute augmentation de pluie provoque une augmentation de débit.
� Analyse fréquentielle des pluies Les pluies maximales journalières enregistrées à la station météorologique de Bure-
Tressange ont servies de support à cette analyse. Celle-ci est faite à partir d’une série
chronologique de 20 valeurs annuelles de pluies maximales journalières (1965-1984).
L’ajustement de cet échantillon à une loi de Gumbel donne une pluie décennale de :
P10 = 50 mm/j.
Les paramètres statistiques de l’échantillon sont : une moyenne de 38,3 mm/j et un
écart type de 9,1.
Les paramètres d’ajustement de la loi de Gumbel sont :
- s = 0,78*écart-type = 7,1
- X0 = moyenne – 0,577*s = 34,2 mm/j.
Rapport de Travail de Fin d’Etudes Florence Mangez
Juillet 2008
33
� Utilisation de la méthode de Crupedix Au vu de la surface du bassin versant (82,8 km²), la méthode de Crupedix est
applicable au cas du bassin versant de la Fensch.
La formule de Crupedix s’écrit :
R'S80
P R = Q 0,8
2
1010 ××
×
Avec R, coefficient régional qu’on prend ici égal à 1
P10, la pluie décennale journalière (50 mm/j)
S, la surface du bassin versant (82,8 km²)
R’, coefficient correctif de forme et de perméabilité.
Le coefficient correctif permet d’ajuster au mieux la méthode de Crupedix au bassin
versant et de ses caractéristiques :
55,13,0
46,0
3,0' ===
CR
Par conséquent, le débit décennal est de 21m3/s.
� Débits de crue naturels L’analyse statistique des données de pluie a permis de définir un Gradex des pluies sur
24 heures de 10.
A partir de là, les débits de crues pour les périodes de retour 50 et 100 ans sont
calculés :
Période de retour Q (m3/s)
10 ans 21
50 ans 37
100 ans 44 Tableau 11 : Débits de crue à partir de la méthode du Gradex
� Débits de crue des mines Les débits après ennoyage des mines restent incertains. D’après une étude réalisée par
ANTEA en 1999 et après extrapolation des valeurs décennale et cinquantennale suivant une
loi statistique de Gumbel pour Q100, les débits supplémentaires estimés sont les suivant :
Q10 Q50 Q100
Galerie de la Paix 4,6 m3/s 5,5 m
3/s 5,9 m
3/s
Galerie de Haut-Pont 1 m3/s
1 m3/s + 1 m
3/s par surverse
du bassin centre
1 m3/s + 1 m
3/s par surverse
du bassin centre Tableau 12 : Débits de crue des mines
� Débits en tous points Pour modéliser la Fensch sous le logiciel HYDRARIV, les débits en quelques points
du cours d’eau doivent être connus. Pour cela, la formule suivante est appliquée :
e
t
p
tp QS
SQQ +
×=
8,0
Avec Qp, le débit au point P,
Qt, le débit total,
Sp, la surface du BV au point P,
St, la surface totale du BV,
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34
Qe, le débit d’apport par débordement minier.
Localisation Surface (km²)
Q10 (m3/s) Q100 (m
3/s)
Débit naturel
Actuel Après
ennoyage Débit
naturel Actuel
Après ennoyage
Amont Haut-Pont 24 7,8 7,8 7,8 16,3 16,3 16,3
Aval Haut-Pont 24 7,8 9 8,8 16,3 17,5 18,3
Aval exhaure de la paix 25 8,1 12,1 13,7 16,9 20,9 24,8
Aval de la confluence
avec le ruisseau
d’Algrange
28,6 9 13 14,6 18,8 22,8 26,7
Amont confluence petite
Fensch 32,9 10 14 15,6 21 25 28,9
Aval confluence petite
Fensch 39,9 11,7 15,7 17,3 24,5 28,5 32,4
Amont confluence
ruisseau du Marspich 41,4 12,1 16,1 17,7 25,3 29,3 33,2
Aval confluence
ruisseau du Marspich 48,4 13,7 17,7 19,3 28,6 32,6 36,5
Station de Maison
Neuve 58,9 16 20 21,6 33,5 37,5 41,4
Aval confluence
Kribsbach 82,6 21 25 26,6 43,9 47,9 51,8
Confluence canal
Moselle 82,8 21 25 26,6 44 48 51,9
Tableau 13 : Débits de crue de la Fensch en plusieurs points
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Juillet 2008
35
III. Hydraulique
III.1 Principe
Cette étape fait suite à l’étude hydrologique [5] afin de déterminer les hauteurs d’eau
pour les crues d’occurrence décennale et centennale. Une cartographie des zones inondables
pour les différentes périodes de retour pourra être établie à l’aide de deux logiciels de
modélisation : HEC-RAS et HYDRARIV.
L’utilisation de ces deux logiciels a été demandée par Hydratec afin de valider les
résultats des études précédentes qui ont été faites à partir d’une modélisation sur HEC-RAS.
La modélisation sur HYDRARIV permettra également de simuler l’impact des deux zones de
stockage actuellement en construction.
Vu que les bassins de stockage ne sont pas modélisés sous HEC-RAS, le modèle sera
construit à partir d’un régime permanent. De plus, la géométrie du cours d’eau et l’absence de
chenal secondaire rentre dans ce cas d’étude.
En revanche, lors de la modélisation sous HYDRARIV, les différents passages
couverts devront être représentés comme des tronçons différents parallèles les uns aux autres
en raison de l’impossibilité du logiciel à représenter des galeries parallèles sur un même profil
en travers.
Ensuite, il reste le problème du calage. En effet, le calage permet d’avoir des résultats
valides par rapport à la réalité. Il s’effectuera à partir de la crue de référence de 1983.
III.2 Modélisation avec le logiciel HEC-RAS
Lors des études précédentes, l’étude de la Fensch a été réalisée à partir du logiciel
HEC-RAS. Les résultats ont été recalculés avec ce logiciel. La version 3.1.1 de 2003,
développée par le Hydraulic Engineering Corps de l’US army Corps of Engineers a été
utilisée [7].
III.2.1 Méthode de calcul en régime permanent
Le calcul de la hauteur d’eau se fait d’une section en travers à une autre à partir de
l’équation d’énergie avec un processus itératif. L’équation de l’énergie est la suivante :
ehg
VZY
g
VZY +
×
×++=
×
×++
22
2
1111
2
2222
αα (1)
Avec Y1 et Y2, les hauteurs d’eau au niveau des sections,
Z1 et Z2, les cotes du fond du lit des sections,
V1 et V2, les vitesses moyennes au niveau des sections,
α1 et α2, des coefficients de vitesse pour chaque section,
he, les pertes de charge entre les sections 1 et 2.
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36
Figure 4 : Représentation des termes de l'équation d'énergie
Les pertes de charge sont évaluées à partir de la formule de Manning à laquelle sont
ajoutées les pertes de charge liées à une contraction ou à une expansion du flux :
×
×−
×
××+×=
g
V
g
VCSLh fe
22
2
11
2
22 αα (2)
Avec L, la distance entre les deux sections,
Sf, la pente de frottement entre les deux sections,
C, le coefficient de contraction ou d’expansion.
A partir des équations (1) et (2), la hauteur d’eau est déterminée en utilisant une
hauteur d’eau connue à l’aval lorsque l’écoulement est fluvial ou à l’amont pour un
écoulement torrentiel.
Lorsque la hauteur d’eau passe en dessous de la hauteur critique par exemple au
niveau des ponts, des seuils…, l’équation d’énergie n’est plus valable. Les calculs se basent
alors sur l’équation de conservation de la quantité de mouvement afin qu’il y ait convergence
des calculs :
∑ ×= amF � xfx VQFWPP ∆××=−+− ρ12
Avec P1 et P2, les résultantes des forces de pression hydrostatiques sur les sections 1 et 2,
Wx, la composante du poids de l’eau selon l’axe x,
Ff, la force due aux frottements,
Q, le débit,
Ρ, la densité de l’eau,
∆Vx, la composante de la variation des vitesses selon l’axe x.
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37
III.2.2 Construction du modèle
La construction du modèle se fait en plusieurs étapes :
- La saisie de données géométriques (profils en travers et rugosité de
chaque section, distance entre les sections et les caractéristiques de chaque ouvrage…)
- La saisie des conditions initiales et des conditions aux limites (hauteur
d’eau, profondeur critique… ou hydrogramme, limnigramme…selon le régime
d’écoulement).
III.2.3 Modélisation de la Fensch
La modélisation de la Fensch sur le logiciel HEC-RAS a été réalisée par le bureau d’études
SINBIO en 2003 [14].
� Caractéristiques géométriques La Fensch a fait l’objet d’un levé topographique d’environ 157 profils répartis sur les
15 kilomètres de cours d’eau. Au niveau des singularités (ponts, galeries couvertes…) des
profils ont été rajoutés afin de correspondre au plus près à la topographie. La localisation des
profils est présente en annexe n°7.
Une étude de la SAFEGE [12] a recensé 85 ouvrages répartis sur le linéaire de la
Fensch. Ces ouvrages sont les suivants :
- 31 ponts
- 21 passerelles
- 23 conduites longues
- 2 vannages
- 3 aqueducs/conduite
- 1 siphon.
� Coefficients de perte de charge Les coefficients de Strickler varient en fonction de l’urbanisation, des ouvrages et de
la canalisation du cours d’eau. Pour le lit mineur, pour des canaux naturels, le Strickler a été
établi à 40, pour des pierres brutes entre 47 et 56, pour la maçonnerie et le béton entre 60 et
80. Pour le lit majeur, le Strickler a été pris égal à 10 afin de refléter la forte urbanisation du
val de Fensch.
� Conditions initiales et aux limites La condition aval imposée au modèle est une cote connue du niveau d’eau égale à
154,15m. Elle correspond au niveau de la Moselle qui influe sur le régime hydraulique de la
Fensch.
A l’amont, la condition est un hydrogramme constant de 7,8m3/s représentant les
apports du bassin versant de la Fensch. Afin de modéliser la rivière, les différents apports dus
aux exhaures et aux affluents, ont été modélisés en imposant un débit au niveau des profils
concernés.
� Calage du modèle Le modèle a été calé à partir de la crue du 23 décembre 1993, dernière crue
significative de la Fensch. Les débits sont les suivants au niveau de différents profils (la carte
des profils est donnée en annexe n°7) :
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Débit (m3/s) Profil
5 157
5 156
6 118
9 97
10 92
11 70
13 58
18 8 Tableau 14 : Débits de la crue de 1993
Afin d’obtenir les mêmes cotes d’eau, les coefficients de Strickler ont été ajustés.
III.2.4 Résultats
� Présentation des résultats Les résultats des simulations sont présentés en annexes n°8. Pour chaque profil, la cote
maximale d’eau, les débits et les vitesses correspondantes sont indiqués. Egalement sont
présentées les vitesses dans le lit majeur en rive gauche et en rive droite quand il y a
inondation du lit majeur.
Les profils en long permettent de visualiser les lignes d’eau et les lignes de charge.
Une carte des zones d’expansion des crues est également présente en annexe n°9.
� Analyse de l’état avant ennoyage En crue décennale
Le lit mineur de la Fensch a une capacité insuffisante pour la crue d’occurrence décennale. Il
y a également le long du cours d’eau 54 ouvrages qui ont un débit limitant par rapport au
débit décennal. Ces ouvrages ont alors pour conséquence essentielle une remontée de la ligne
d’eau provoquant des problèmes d’inondation dans le lit majeur du cours d’eau en amont. Au
niveau des débordements, les enjeux sont importants puisque tout le lit majeur du cours d’eau
est fortement urbanisé (lotissements et industries…). Les débordements ont lieu autant en rive
gauche qu’en rive droite du cours d’eau.
Il est à noter que les ouvrages longs n’ont pas été inspectés sur toute leur longueur, la
géométrie à l’intérieur peut donc être différente des sections d’entrée et de sortie, il peut y
avoir des conduites qui réduisent la section d’écoulement…
Dans le lit mineur, la vitesse est globalement inférieure à 2,7 m/s sauf en quelques endroits où
elle est supérieure et peut atteindre 3,27 m/s. Il faudra alors protéger les berges à ces endroits
(ancienne station d’épuration sur Knutange, pont de la RN53 sur Florange, Site de la
Platinerie).
En crue centennale
Le lit mineur de la Fensch a une capacité insuffisante pour la crue d’occurrence centennale.
Pour le débit centennal, quasiment tous les ouvrages ont un débit admissible inférieur ce qui
pose donc des problèmes d’inondations.
Dans le lit mineur, la vitesse d’écoulement est globalement inférieure à 2,5 m/s sauf en
quelques endroits où elle est élevée et risque de provoquer des effondrements de berges. Il
faudra alors les consolider, le maximum étant de 3,84 m/s à l’aval du stade de Knutange. A la
sortie du moulin brûlé ainsi qu’au niveau du site de la Platinerie, les vitesses sont supérieures
à 3m/s.
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39
� Analyse de l’état après ennoyage En crue décennale
Les mêmes problèmes que ceux rencontrés pour la situation avant l’ennoyage sont présents
(débordements, ouvrages limitant…).
Par rapport à une crue décennale avant l’ennoyage des mines, la ligne d’eau est plus élevée
d’environ 30 centimètres à partir de l’exhaure de la Paix. L’augmentation maximum est de 65
centimètres au niveau du pont de la République sur la commune de Nilvange. A l’aval de la
Fensch, il n’y a plus de différences vu la géométrie et l’absence d’ouvrages limitant.
En crue centennale
De même, le lit mineur a une capacité insuffisante pour le débit centennal après l’ennoyage
des mines. Des débordements ont lieu quasiment sur tout le linéaire de la Fensch.
Par rapport à la situation avant l’ennoyage des mines, la ligne d’eau s’est élevée d’une
vingtaine de centimètres toujours à partir de l’exhaure de la Paix. Au maximum, la ligne d’eau
s’élève de 55 centimètres au niveau de l’ouvrage direct en aval de l’exhaure de la Paix (OH35
suivant les notations en annexes).
III.3 Modélisation avec le logiciel HYDRARIV
III.3.1 Principe
HYDRARIV [6] est un progiciel hydrologique et hydraulique des espaces fluviaux. Il
est conçu pour intégrer dans un même modèle des schémas de représentation contrastés, tels
que la schématisation filaire, les casiers et les maillages bidimensionnels. HYDRARIV ne
possède pas de fonctions SIG à proprement dites, ces fonctions sont assurées par un logiciel
d’accompagnement : HYDRAMAP qui est un module applicatif de MAPINFO. Il agit comme
un préprocesseur d’HYDRARIV pour générer certaines entités de modélisation comme le
maillage et les liaisons internes d’un sous-domaine bidimensionnel et donc faciliter le
renseignement de ces objets.
III.3.2 Modélisation des espaces fluviaux
HYDRARIV offre trois représentations d’écoulement adaptées aux applications
fluviales :
- La schématisation filaire repose sur la résolution des équations de Barré
Saint Venant à lits composés, avec des lois de partage entre les différents lits qui sont conçues
pour reproduire au mieux les cotes d’eau dans le lit mineur, les temps de propagation et la
déformation des ondes de crues influencées par l’action du laminage joué par le lit majeur. A
chaque nœud de calcul sont associées plusieurs variables : la cote d’eau dans la section
composée et les débits longitudinaux dans chaque lit. Outre les équations des tronçons de
vallée, HYDRARIV propose un large choix de singularités spécialement adaptées aux types
d’ouvrages et d’obstacles rencontrés dans les vallées fluviales.
- La modélisation bidimensionnelle repose sur la résolution des équations
de Barré Saint Venant à deux dimensions à l’aide d’une méthode de volumes finis.
- La modélisation en casiers, simplification de la modélisation
bidimensionnelle, est aussi disponible. Chaque casier est assimilé à un plan d’eau local dont le
niveau varie en fonction de lois d’échange avec les autres entités surfaciques via des liaisons
latérales.
Rapport de Travail de Fin d’Etudes Florence Mangez
Juillet 2008
40
Dans un même modèle, HYDRARIV permet de concilier ces trois types de
modélisation et il s’adapte ainsi au plus près à chaque configuration géographique et
morphologique locale. Pour cela, est mis à disposition un large choix de liaisons latérales
permettant d’assurer les échanges entre les différents domaines.
Pour modéliser la Fensch, la modélisation filaire est choisie vu qu’il n’y a qu’une
direction principale d’écoulement. Des bassins de rétention sont actuellement en cours de
construction sur les bords de la Fensch et ils seront modéliser par des casiers.
III.3.3 Modélisation hydrologique
HYDRARIV permet de prendre en compte la présence d’un exutoire de bassin versant
dont les caractéristiques telles que plus long chemin hydraulique, pente moyenne et
coefficient d’imperméabilisation, sont des données du calcul.
Une pluie nette est également un des paramètres du bassin versant. Elle se base sur
plusieurs options : coefficient de ruissellement constant, modèle de Horner, modèle de Holtan
ou modèle Soil Conservation Service (SCS).
III.3.4 Construction du modèle
Le modèle est d’abord construit à partir de HYDRAMAP, interface entre HYDRARIV
et MAPINFO. La construction du modèle se fait en plusieurs étapes :
- La saisie des données géométriques (bief, profils en travers, rugosité,
singularités, distance par rapport au premier profil…)
- La saisie des conditions initiales et aux limites
- La saisie de données hydrologiques (pluie de projet…).
Les profils en travers sont de six formes différentes :
- Circulaire
- Ovoïde
- Paramétrique ouvert
- Paramétrique fermé
- Section de rivière
- Section de vallée dissymétrique.
III.3.5 Modélisation de la Fensch
Pour modéliser la Fensch grâce au logiciel HYDRARIV, les mêmes caractéristiques
géométriques et les mêmes coefficients de perte de charge ont été appliqués.
En revanche, la condition limite à l’aval choisie est la hauteur normale. A l’amont, un
hydrogramme constant est imposé correspondant à l’exutoire du bassin versant de la Fensch.
Le calage du modèle sera basé sur les mêmes hypothèses que précédemment. Les
coefficients de Strickler seront un des paramètres à faire évoluer.
Par ailleurs, le logiciel HYDRARIV est peu adapté pour la modélisation en milieu
urbain. Or la Fensch possède de nombreux passages canalisés et couverts sur de grande
longueur, parfois jusqu’à un kilomètre. Des problèmes se sont alors posés pour la
modélisation de ces passages. Afin de correspondre au mieux à la géométrie des sections, les
galeries couvertes ont été modélisées par des paramétriques circulaires de section équivalente.
Rapport de Travail de Fin d’Etudes Florence Mangez
Juillet 2008
41
III.3.6 Résultats
� Présentation des résultats Les résultats des simulations sont présentés en annexes n°10. Pour chaque profil, la
cote maximale d’eau, les débits et les vitesses correspondantes sont indiqués. Egalement sont
présentées les vitesses dans le lit majeur quand il y a inondation du lit majeur.
Seule la situation après ennoyage a été étudiée à partir du logiciel HYDRARIV.
Une carte des zones d’expansion des crues est également présente en annexe n°11.
� Analyse de l’état après ennoyage En crue décennale
De même, le lit mineur de la Fensch a une capacité insuffisante pour le débit décennal après
ennoyage. Les ouvrages limitent l’écoulement. Il y a quelques cas de débordement en lit
majeur gauche ou droit. Il y a quelques zones différentes par rapport à la simulation avec
HEC-RAS. Par exemple, la ligne d’eau est plus haute d’une dizaine de centimètres au niveau
du quartier de Sainte-Geneviève, à l’aval de l’exhaure de la Paix, à l’entrée de Knutange et au
niveau de Florange. Globalement, les vitesses en lit mineur ne sont pas élevées sauf au niveau
du Quartier Saint Geneviève, de l’ancienne STEP de Knutange, de la Platinerie et de Florange
où elles peuvent dépasser 3 m/s.
Remarque : La simulation pour la période de retour 100ans n’a pas pu être réalisée à cause de
problèmes liés à la convergence du modèle et à la modélisation des passages couverts. Une
étude plus longue sur ces problèmes est envisagée.
Afin de voir l’impact d’une pluie de période de retour plus importante que 10ans, une
simulation pour 25 ans a été faite. Les mêmes zones de débordement par rapport à une crue
décennale sont constatées mais avec une élévation de la cote d’eau d’une trentaine de
centimètres. Les principales zones d’expansion des crues sont Fontoy, le quartier Sainte
Geneviève, en amont du stade de Knutange, l’usine d’Arcelor de Serémange-Erzange, de la
rue de la Gare de Florange à l’usine Arcelor de Florange et Maison-neuve. Les vitesses dans
le lit mineur sont peu élevées sauf au niveau de l’ancienne STEP de Knutange, du quartier
Sainte Geneviève et de la Platinerie. Les berges devront là aussi être protégées pour éviter
tout risque d’érosion. Lors de débordements, les vitesses dans le lit majeur restent faibles.
III.4 Comparaison des deux logiciels
III.4.1 Modélisation
Lors de la modélisation d’un tronçon identique sous les deux logiciels avec les mêmes
conditions initiales et aval, pour un même débit et pour les mêmes valeurs de
Manning/Strickler, il y a une différence d’environ 15 centimètres. Cette différence est due au
principe de calcul des logiciels puisque HEC-RAS se base sur l’équation de conservation de
la quantité de mouvement en régime permanent, mode des calculs pour cette simulation alors
que HYDRARIV utilise les équations de Barré Saint-Venant à lits composés.
III.4.2 Sensibilité des logiciels aux coefficients de Manning/Strickler
La sensibilité des logiciels aux coefficients de Manning ou de Strickler suivant le
paramètre concerné s’intéresse à une partie de la Fensch, entre les profils 155,1 et 152,15 soit
un linéaire de 400 mètres. Dans cette zone, il y a débordement pour une période de retour de
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Juillet 2008
42
25 ans mais pas pour une période de retour de 10 ans ce qui permet d’avoir des cas de figure
différents pour étudier l’impact sur la cote d’eau.
lit mineur lit majeur lit mineur lit majeur
augmentation
de 0.01 du
Manning
17 cm 20 cm
augmentation
de 0.02 du
Manning
31 cm 27 cm
augmentation
de 0.1 du
Manning
3 cm 8 cm
augmentation
de 0.2 du
Manning
5 cm 11 cm
HEC-RASQ10 Q25
Tableau 15 : Résultats de la sensibilité du logiciel HEC-RAS
lit mineur lit majeur lit mineur lit majeur
Diminution de
10 du Strickler
6 cm 5 cm
Diminution de
15 du Strickler
11 cm 7 cm
Augmentation
de 10 du
Strickler
1 cm 1 cm
Augmentation
de 15 du
Strickler
1 cm 6 cm
HYDRARIVQ10 Q25
Tableau 16 : Résultats de la sensibilité du logiciel HYDRARIV
Les résultats du test des logiciels à la sensibilité par rapport à un changement des
coefficients de Manning et de Strickler montrent une faible influence dans le lit majeur pour
une crue décennale quelque soit le logiciel. En revanche, HEC-RAS est plus sensible pour la
période de retour de 25 ans dans le lit majeur où a lieu un débordement pour cette période de
retour.
Dans le lit mineur, les deux logiciels réagissent à un changement des coefficients,
HYDRARIV dans une moindre mesure. Cette différence tient de la prise en compte des
échanges entre les deux lits et des équations sur lesquelles ils se basent pour calculer les
hauteurs d’eau et donc de l’importance de ces coefficients.
III.4.3 Limites des logiciels
� HEC-RAS L’utilisation d’un logiciel 1D présente des avantages et des inconvénients. En effet,
avec un tel logiciel, lors de débordement, les volumes d’eau présents dans le lit majeur ne sont
pas reportés à l’aval. Pour qu’ils le soient, il faudrait construire un chenal parallèle. Hors dans
Rapport de Travail de Fin d’Etudes Florence Mangez
Juillet 2008
43
le cas de la Fensch, l’urbanisation importante et les conditions de débordement ne permettent
pas de définir un chenal secondaire d’écoulement. Une partie du volume sera donc négligée.
En revanche, il est simple d’utilisation pour modéliser le cours d’eau à partir de profils en
travers.
Un autre problème se pose lors de la modélisation de la rivière. En effet, il arrive que
le lit majeur soit plus bas que le haut des berges. Dans ce cas-là, dans la réalité, il y a
débordement quand la ligne d’eau dépasse la hauteur des berges et à ce moment-là, le lit
majeur se remplit. Or avec HEC-RAS, la hauteur d’eau calculée prend en compte toute la
section des profils même si les berges sont plus hautes que le point bas du lit majeur. La ligne
d’eau coupe alors les berges. Pour régler ce problème, il existe deux solutions :
- Utilisation des levees. Lorsque la zone du lit majeur qui est plus basse
que le haut des berges n’est pas importante, les levees sont recommandées et doivent être
placées au point haut.
Figure 5 : Profil 147 sans levees
Figure 6 : Profil 147 avec levees
- Création d’un chenal parallèle avec un déversoir latéral pour permettre
l’écoulement entre les deux lorsque la zone située dans le lit majeur qui est plus basse que les
berges, est importante. Cette solution n’a pas été appliquée dans le cas de la Fensch vu la
géométrie du cours d’eau.
� Hydrariv Le logiciel Hydrariv pose une contrainte sur la profondeur minimum du cours d’eau.
En effet, celle-ci doit être supérieure à 50 centimètres.
Par ailleurs, dans le cas particulier de la Fensch qui est une rivière largement
industrialisée avec des prises d’eau et de longs passages couverts, il a fallu modéliser ces
galeries longues. Or le logiciel ne permet pas de modéliser plusieurs buses sur un même
profil. Deux tronçons en parallèle sont nécessaires pour ce cas de figure ce qui pose des
problèmes de convergence du système. Par exemple, des dalots ont du être modélisés par des
galeries circulaires de même section.
La géométrie du lit majeur pose également problème. En effet, le logiciel ne permet
pas d’avoir un lit majeur qui varie. Il ne doit que monter.
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Juillet 2008
44
Figure 7 : Profil topographique 117.9
Il faut alors modifier le profil pour qu’il ne redescende plus dans le lit majeur. Mais il
faut essayer de garder la même zone d’expansion des crues pour ne pas modifier les
conditions d’écoulement.
Figure 8 : Profil HYDRARIV 117.9
Enfin, le logiciel impose un nombre de points pour le lit mineur et les lits majeurs
(gauche et droit), respectivement 6 et 4. La topographie n’est donc pas forcément respectée ou
elle est grossièrement représentée. Le choix d’une section de rivière dissymétrique permet
d’avoir un lit majeur qui soit différent sur chaque rive mais le lit mineur doit être quant à lui
symétrique.
Zone à problème
Nouveau profil
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Juillet 2008
45
IV. Propositions d’aménagements
Lors de l’élaboration d’ouvrages de protection contre les crues, l’objectif de protection
correspond à une période de retour, c’est-à-dire que les débordements ne sont pas admis pour
une période de retour plus courte. En général, pour la protection des habitations, l’objectif est
une période retour de 100ans.
Dans le cas de la Fensch, les débits centennaux sont tels qu’il faudrait des ouvrages
très importants. Par ailleurs, les contraintes liées à l’homme (urbanisation importante et forte
présence d’usines) sont telles qu’il faudrait engager des moyens financiers importants pour
pouvoir réaliser ces travaux.
De plus, le lit majeur est tellement urbanisé qu’il est impossible de recréer un lit
d’expansion des crues.
C’est pourquoi les aménagements suivants sont calibrés pour une période de retour 25
ans. Il faudra faire attention à ne pas aggraver la situation à l’aval suite à des aménagements
réalisés dans le lit mineur (changement de sections…).
IV.1 Aménagements possibles dans le cas de la Fensch
IV.1.1 Bassins d’écrêtement
En amont, la Communauté d’Agglomération du Val de Fensch vient de faire construire
deux bassins d’écrêtement sur la commune de Fontoy. Ces bassins ont un volume total
maximal de 34 500 m3. Or par exemple, le volume de la crue de 1995, estimée correspondre à
une période de retour de 50 ans, est 4 700 000 m3 [14]. Il apparait donc que les quelques
dizaines de mètres cubes stockés dans ces bassins n’ont pas d’influence pour des crues de
forte période de retour. Ils ne jouent leur rôle de protection que pour des événements plus
fréquents, par exemple tous les 2 ou 5ans.
Sur la commune de Hayange, un projet de construction d’un troisième bassin est
envisagé. En effet, au niveau du site de la Platinerie, le terrain est disponible ce qui
permettrait d’écrêter les débits et de protéger les communes situées à l’aval. En revanche, la
place est limitée donc la protection risque de ne pas être calibrée pour des périodes de retour
importantes.
Le lit majeur étant fortement urbanisé, il n’y a pas d’autres places disponibles pour la
création de bassins d’écrêtement de capacité suffisante pour des crues de période de retour
importante.
IV.1.2 Sections
L’un des problèmes majeurs de la Fensch est la capacité limitée des sections. En effet,
celles-ci sont en général insuffisantes pour laisser passer un débit décennal. Les ponts sont
quasiment tous sous-dimensionnés. Quant aux ouvrages longs, ils limitent fortement
l’écoulement. Une solution possible serait de les enlever. Cela a été simulé mais évidemment
pour des raisons politiques, cette solution n’est pas réalisable.
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Juillet 2008
46
� Suppression des ouvrages longs Même si cette solution n’est pas réalisable, l’impact a été étudié. En partant de l’aval
et en se dirigeant vers l’amont, les conséquences de la suppression de ces ouvrages sont les
suivantes :
- Usine Sollac sur la commune de Florange (OH80 et OH79) : Pas
d’influence quelque soit la période de retour (10 ou 25 ans).
- Usine Solvy (Florange) : augmentation de la ligne d’eau en amont d’au
maximum 60 centimètres (T=25ans) et 70 centimètres (T=10ans) sur 253 mètres, pas de
conséquences sur l’aval.
- Ancien Moulin, ateliers municipaux (Serémange-Erzange) : pas
d’impacts sur l’aval. Diminution de la ligne d’eau de 1,5 mètre (T=10ans) ou 88 centimètres
(T=25ans) sur 115 mètres.
- Site du Patural à proximité des hauts fourneaux (Serémange-Erzange) :
augmentation de la ligne d’eau de 15 centimètres en amont immédiat de l’ouvrage quelque
soit la période de retour.
- Château de Sollac (Hayange) : légère diminution en aval entre 10 et 15
centimètres en fonction de la période de retour. Rien en amont.
- Site de la Platinerie (Hayange) : pas d’influence pour la période de
retour de 10ans. Pour 25ans, augmentation de la ligne d’eau de 70 centimètres en amont.
- Pont du Molitor-Match (Hayange) : pas d’impact.
- Corus Rail (Nilvange) : diminution de la ligne d’eau d’environ 60
centimètres (T=25ans) et 50 centimètres (T=10ans) en amont sur 965 mètres. Rien en aval.
- Usine Saint Jacques (OH72) (Hayange) : pas d’impact.
- Rue du Maréchal Foch (OH73) (Nilvange) : diminution de la ligne
d’eau en amont d’environ 30 centimètres quelque soit la période de retour sur 100 mètres. Pas
d’impacts sur l’aval. Il est à noter que si seuls les ouvrages OH72 et OH73 sont supprimés, la
ligne d’eau augmente entre ces deux ouvrages.
- Ancien stade, aval du site de la Paix (Knutange) : pas d’influence.
- Stade de Knutange : Pour un débit décennal, diminution de la ligne
d’eau d’environ 15 centimètres en amont sur 100 mètres. Pas d’influence sur l’aval et pour
une période de retour de 25 ans.
- Quartier Sainte Geneviève (Fontoy et Knutange) : diminution de la
ligne d’eau d’environ 30 centimètres pour une occurrence décennale et de 60 centimètres pour
une période de retour de 25 ans en amont des deux ouvrages. Pas d’influence sur l’aval.
- La Chapelle (Fontoy) : pas d’impact pour les deux périodes de retour.
IV.1.3 Autres solutions
La communauté d’agglomération aimerait ouvrir la conduite longue du site de la
Platinerie et supprimer les 2 passerelles situées entre la galerie et le pont du Molitor. Cette
solution permettrait d’abaisser la ligne d’eau d’une vingtaine de centimètres en amont de ces
ouvrages.
Une autre solution envisagée qui reste locale est de supprimer l’ancien moulin au
niveau des ateliers municipaux de Serémange-Erzange. La ligne d’eau serait alors abaissée de
80 centimètres pour une occurrence décennale voire 1,5 mètres pour la période de retour de
25 ans. Cela n’aurait pas d’influence sur l’aval et protège le site d’une crue.
Dans certains secteurs où la ligne d’eau n’est pas trop élevée lors de risque
d’inondation, la pose de merlons peut être envisagée.
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V. Conclusion
Cette étude a permis de connaitre les zones inondables et de voir les impacts des
aménagements sur la Fensch.
La situation de la vallée avec l’arrêt des mines et l’ennoyage de ces dernières a créé un
contexte particulier pour une étude hydraulique. L’urbanisation et l’industrialisation a
également engendré des conséquences sur le régime hydraulique de la rivière et a causé des
problèmes en termes d’inondation.
L’étude hydrologique a du tenir compte de cette situation et évaluer les débits
provenant des exhaures.
L’étude hydraulique à partir de deux logiciels a permis de croiser les données et
d’évaluer les zones inondables de deux façons. Même ces deux simulations ont été faites en
régime permanent ce qui ne permet pas de voir l’impact réel des aménagements. De plus, un
modèle en 1D ne gère pas les échanges entre le lit mineur et le lit majeur. Quasiment tout le
linéaire du cours d’eau connait des débordements pour les crues de période de retour au moins
égale à 25 ans. La comparaison entre les logiciels permet de voir les forces et les faiblesses de
chacun et de savoir lequel s’adapte mieux à une situation précise.
L’étude des aménagements possibles a montré la difficulté de trouver des solutions
pour une rivière en agglomération.
Sur la Fensch, la problématique hydrologique pourrait être développée en étudiant de
plus près tous les bassins versants des affluents et le bassin minier (réponse à une pluie…).
L’étude sous HYDRARIV pour simuler l’impact de la crue centennale est aussi à poursuivre.
Les problèmes concernant l’état biologique et physique de la Fensch pourrait également faire
l’objet d’études supplémentaires.
Enfin, d’un point de vue plus personnel, ce stage chez HYDRATEC m’a permis d’être
confrontée à une véritable mise en situation professionnelle dans un bureau d’études avec les
impératifs qui y sont liés : gestion d’un projet, gestion de plusieurs études en simultané,
relation avec les élus et les organismes compétents (communauté d’agglomération, agence de
l’eau, conseil régional et départemental…).
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Bibliographie Ouvrages, études et revues
[1] AMODIAG Environnement. Etude préalable au curage des sédiments pollués de la Fensch. Rapport d’études. Mai 2002. 114 pages.
[2] ANTEA Agence Alsace-Lorraine-Franche Comté. Bassin ferrifère. Etude de synthèse
sur les bassins versants dont le débit est soutenu par pompage dans les réservoirs miniers. Phase 2 : Analyse des milieux. Mars 2004. 81 pages
[3] BCEOM, agence de l’Est. Etude hydraulique complémentaire de la rivière Fensch. 1° phase : Etat initial et situation après arrêts exhaures. Juin 1994. 65 pages.
[4] Conseil régional de Lorraine. Schéma d’Aménagement et de Gestion des Eaux. Bassin Ferrifère. Séquence n°1 : Etat des lieux. Mars 2007. 190 pages.
[5] Escarzaga David. Etude hydraulique sur un petit bassin de l’arc méditerranéen : exemple du Bruèges dans la zone périurbaine d’Alès. Mémoire de fin d’études, ENGEES,
Juin 2003, 111pages.
[6] Hydratec. HYDRARIV Manuel d’utilisateur. Dossier A : Guide pratique d’utilisation. Septembre 2003. 240 pages.
[7] Hydrologic Engineering Center (HEC) Del U.S Army Corps of Engineers. HEC-RAS, River Analysis System. Hydraulic Reference Manual. Version 3.1.1 2003. 262 pages.
[8] INGEROUTE, Agence de l’Est. Aménagement de la Fensch-note complémentaire-évaluation des débits résultants de l’ennoyage des mines de fer. Janvier 1994. 20 pages.
[9] Mandras Cécile. Etudes hydrologiques et hydrauliques du bassin versant de la Gardi. Réalisation de la carte des aléas. Mémoire de fin d’étude. ENGEES. Juin 2006. 111 pages.
[10] Préfecture de la Région Lorraine. Ennoyage du bassin ferrifère Nord : Analyse du devenir de l’eau dans le bassin de la Fensch. Décembre 2004. 39 pages.
[11] Préfecture de la Région Lorraine. Le bassin ferrifère. Etat des lieux au 20 février 2003. Février 2003. 48 pages.
[12] SAFEGE. Etude diagnostic et reconnaissance des ouvrages canalisant la Fensch. Annexe 3. Rapport des fiches d’ouvrages. Janvier 2002. 190 pages.
[13] Service Technique de l’urbanisme. Modélisation de l’écoulement dans les réseaux. Guide de construction et d’utilisation des pluies de projet. Ministère de l’urbanisme, du
logement et des transports, 1986. 63 pages. ISBN2-11-081-939-1.
[14] SINBIO Silène. Etude relative à la protection des zones urbanisées contre les
inondations de la Fensch et à la restauration de la Fensch et de ses affluents. Volet hydraulique. 8 août 2003. 13 pages.
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[15] Syndicat Intercommunal Eau et Assainissement de Fontoy – Val de Fensch (SEAFF)
[16] Verlon Bruno. Les conséquences des exploitations minières du passé, l’arrêt des exhaures des mines de fer de Lorraine. Annales des Mines. 83 pages.
Cours
[17] Laborde J.P. Hydrologie. Strasbourg. ENGEES. Décembre 2003. 191 pages.
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