Étude de cas Laupen

Objectif de l’étude de cas

Cette étude de cas avait pour but de vérifier le système d’évacuation des eaux existant d’une petite ville, en mettant l’accent sur la gestion des conditions générales du réseau hydrographique. Les étapes du traitement s’appuient sur le déroulement de la planification pour la vérification hydraulique des systèmes d’évacuation des eaux (fig. 8 de la directive).

Description de la région examinée

La commune bernoise de Laupen se situe au nord du canton de Fribourg, à l’endroit où la Singine se jette dans la Sarine. Elle compte quelque 3000 habitants (état en 2018). Le centre est formé par la cité médiévale, surplombée par le château. Les quartiers extérieurs ont un caractère rural. Plusieurs aires artisanales sont situées sur les berges de la Sarine et de la Singine.

Réseau d’évacuation des eaux

Le système d’évacuation de Laupen est en majorité unitaire (voir tableau 1). Seuls quatre quartiers disposent de systèmes séparatifs contiguës. La plupart des parcelles situées à proximité d’un cours d’eau (Sarine, Singine ou Talbach) évacuent également dans un système séparatif et leurs eaux pluviales sont déversées directement dans le cours d’eau. Les eaux usées et les eaux mixtes sont acheminées vers la STEP Sensetal par une canalisation de l’association, constituée de deux canaux traversant le territoire communal, le long de la Singine et de la Sarine respectivement.

Une fois l’agglomération entièrement développée (futur développement urbain et paramètres de l’évacuation des eaux des bassins versants), seul un bassin versant d’environ 3 ha viendra s’ajouter et sera raccordé au ré-seau d’assainissement. Il est en outre prévu de faire passer en système séparatif une partie des zones bâties du centre de Laupen, dans le cadre d’un projet d’assainissement du trafic

Le réseau d’assainissement communal présente une longueur totale de quelque 46 km (évacuation des eaux de chaussée comprise). La valeur de remplacement des canalisations publiques (sans ouvrages spéciaux) se situe autour de 25 millions de francs.

Le réseau d’assainissement de Laupen comprend les ouvrages spéciaux importants qui suivent :

• 2 x ouvrages de répartition
• 3 x déversoirs d’orage
• 1 x station de pompage avec déversement

Définition des objectifs de protection

Détermination des classes de biens à protéger des bassins versants

L’attribution des classes de biens à protéger a été faite sur la base du plan des zones d’affectation de Laupen. Les objets et les utilisations sensibles sont attribués à la classe 2 à Laupen, raison pour laquelle la classe 3 n’apparaît pas dans cette étude de cas. Étant donné l’homogénéité du territoire urbanisé, il n’y a pas de différenciation pour la classe 2 entre les zones résidentielles et les zones centrales. Le territoire communal de Laupen est par conséquent réparti en deux classes de protection comme suit :

Sur cette base, les bassins versants sont alors attribués à une classe de biens à protéger, puis les regards de visite modélisés. Démarche suivie :

1^re priorité : attribution sur la base du bassin versant directement raccordé au regard.

Si plusieurs bassins versants présentant des classes de biens à protéger différentes sont raccordés au même regard, c’est le bassin ayant la classe la plus élevée qui est déterminant.

2^e priorité : attribution en fonction du bassin versant dans lequel se situe le regard.

À Laupen, l’espace routier n’est attribué à aucune zone d’affectation ; les regards de visite qui s’y trouvent et auxquels aucun bassin versant n’est raccordé sont attribués à la classe de biens à protéger des regards voisins rangés dans la classe la plus élevée.

3^e priorité : attribution en fonction du bassin versant situé le plus près du regard considéré.

Définition du niveau de sécurité visé pour la vérification hydraulique

Les exigences posées pour la protection contre les débordements et le débit maximal admissible dans les canalisations peuvent varier selon l’affectation de la zone. Le tableau 2 indique les fréquences de débordement admissibles à Laupen ainsi que la fréquence du débit de dimensionnement.

Définition des niveaux de dommage et de refoulement

Le niveau de dommage est le niveau d’eau à partir duquel des dégâts peuvent être causés à un bien-fonds. À Laupen, il est défini à 2 m en dessous du niveau du terrain pour le réseau d’eaux mixtes. Si la génératrice supérieure de la canalisation sortante se situe moins de 2 m en dessous du niveau du terrain, elle est déterminante pour le niveau d’eau critique à utiliser lors de la vérification de la fréquence de débordement. Pour les canalisations d’eaux pluviales, le niveau de dommage est fixé au niveau du terrain.
Le niveau de refoulement est défini comme le niveau que les eaux usées ne doivent pas dépasser. À Laupen, le niveau d’eau dans les regards de visite (calculé pour les zones à bâtir entièrement développées à l’aide du catalogue de données pluviométriques) est déterminant en relation avec la fréquence des événements selon l’objectif de protection.

Données pluviométriques

Données pluviométriques : sélection de la station de mesure et données utilisées

La commune de Laupen ne dispose pas de données pluviométriques adéquates. Elle a par conséquent dû sélectionner une station pluviométrique appropriée de MétéoSuisse, à l’aide de l’Atlas hydrologique de la Suisse. À cet effet, les niveaux de retour figurant dans l’Atlas hydrologique pour Laupen et trois stations de mesure de MétéoSuisse situées à proximité (Payerne, Mühleberg, Plaffeien), pour les temps de retour de 2 à 50 ans, sont évalués et représentés dans un diagramme (voir figure 3). Pour Laupen, des intervalles de confiance sont également représentés. Les autres stations de mesure dans les environs ne disposent pas de séries assez longues présentant une résolution de 10 minutes.

Il apparaît que les données de la station pluviométrique de Plaffeien se situent en dehors de l’intervalle de confiance de Laupen, tandis que celles des deux autres stations sont similaires à celles de Laupen. Il serait donc admissible d’utiliser les données pluviométriques des stations de Payerne et de Mühleberg, mais pas celles de Plaffeien. La courbe de Mühleberg concordant le mieux avec celle de Laupen, ce sont les données de cette station qui sont utilisées.

Définition du catalogue des événements pluvieux

Pour analyser les déficits, un catalogue des événements pluvieux de la station de mesure choisie (Mühleberg, à environ 10 km de Laupen) est sélectionné. Il contient les dix événements pluvieux les plus forts pour les durées de 10, 20 et 60 minutes ainsi que de 4 heures, entre 1988 et 2020. Les durées d’accumulation des précipitations plus longues n’ont pas été prises en compte.

Le tableau 3 montre un extrait des événements pluvieux utilisés, avec leur temps de retour et la durée d’accumulation des précipitations déterminante.

Les événements pluvieux sont classés dans l’ordre chronologique et les données redondantes sont éliminées (par ex. l’événement du 21.07.2017 dans le tableau 3). Pour les calculs, un intervalle de 4 heures a été ajouté entre les événements.

Étape 1

Conditions générales du réseau hydrographique pour le calcul hydrodynamique

Le débit des cours d’eau, en particulier de la Sarine, joue un rôle important dans l’évacuation des eaux urbaines de la commune de Laupen. En cas de crue, il est possible qu’un refoulement se produise dans un cours d’eau, ce qui empêche l’écoulement des eaux mixtes de trop-pleins.

Le calcul hydraulique du taux de charge des canalisations à l’aide du catalogue des événements pluvieux ne part pas de l’hypothèse d’un débit de crue simultané dans les cours d’eau. En lieu et place, les caractéristiques des bassins versants fluviaux ont été analysées, parallèlement à l’analyse des cotes des déversements ou des lames déversantes.

La Sarine est une grande rivière des Préalpes, qui prend sa source sur le versant sud du Sanetschhore dans le canton du Valais. Jusqu’à Laupen, son bassin versant naturel s’étend sur 1509 km² (sans le bassin versant de la Singine) selon le rapport technique relatif à la carte des dangers. Le régime d’écoulement de la Sarine est fortement influencé par divers barrages construits sur son cours pour la production d’électricité. Le barrage le plus proche de Laupen et le plus déterminant pour la commune est celui de Schiffenen, qui se situe à environ 4 km de la frontière communale. Selon le rapport technique accompagnant la carte des dangers, l’hydrologie des crues est caractérisée par de longs épisodes pluvieux, parfois associés à la fonte des neiges.

La Singine, une rivière des Préalpes de taille moyenne, prend sa source dans la région du Gurnigel. Son bassin versant couvre 352 km², soit un quart environ de celui de la Sarine. Son hydrologie des crues est différente : elle est marquée par des orages violents pouvant entraîner une montée soudaine du niveau d’eau.

La Singine et la Sarine présentant une hydrologie des crues différente, il est peu probable qu’elles soient en crue simultanément.

Le Talbach est un petit affluent de la Sarine avec un bassin versant d’une superficie de 6,4 km². Vu la surface du bassin versant et sa forme (trajets courts de la ligne de partage des eaux jusqu’au cours d’eau), les averses orageuses brèves mais intensives sont également déterminantes pour les situations de crue.

L’évaluation des cotes de déversement des sorties et des ouvrages spéciaux qui déversent dans la Sarine ou la Singine montre qu’à l’endroit de la station de pompage Schützenhaus sur la Sarine, il y a un risque de refoulement d’eau de la rivière vers le réseau de canalisations à partir d’un débit de crue HQ5. Aux autres sorties, le risque de refoulement commence uniquement à HQ100. C’est pourquoi, lors du traitement du PGEE, la station de pompage Schützenhaus fera l’objet d’un examen approfondi concernant son bon fonctionnement en cas de crue dans la Sarine.

Outre de nombreux rejets d’eaux pluviales, deux déversoirs d’orage rejettent dans la Singine, dont la lame déversante risque d’entraîner un refoulement à partir de HQ30. Il est prévu de ramener le refoulement dans la Singine à Laupen à une mesure acceptable par la réalisation d’un projet de revitalisation et de gestion des crues, comprenant un élargissement du lit et un réaménagement des berges.

Pour vérifier la charge des canalisations à l’aide d’un catalogue des événements pluvieux, un premier calcul est fait indépendamment de la situation de crue dans les cours d’eau. Dans un deuxième temps, la probabilité d’une crue simultanée de la Singine et de la Sarine est évaluée, en analysant les événements pluvieux déterminants pour la charge du réseau d’assainissement. Les données utilisées à cet effet sont les statistiques de crue des deux stations de mesure de l’OFEV sur la Singine, à Laupen et à Thörishaus. Des scénarios de débit pertinents sont ensuite définis sur cette base pour évaluer les points de jonction critiques entre cours d’eau et réseau d’assainissement.

Le Talbach n’est doté d’aucune station de mesure de débit ; ce sont donc les données de la carte des dangers qui sont utilisées. Celles-ci indiquent qu’il n’y a pas eu d’inondation due au Talbach, à l’exception d’un événement de crue centennal. À part quelques biens-fonds riverains qui déversent directement dans le Talbach, ce cours d’eau ne compte qu’un seul déversoir d’orage, dont la lame déversante est située plus haut que le talus de rive. Un refoulement d’eau de la rivière vers la canalisation d’eaux mixtes est par conséquent exclu jusqu’à HQ100.

Simulation hydrodynamique de série continue de l’état actuel et de l’état entièrement développé sur la base d’un catalogue des événements pluvieux

Für jeden Kontrollschacht der primären Abwasseranlagen werden mit Hilfe von Angaben aus dem Leitungskataster die kritischen Koten für Überstau (entspricht der Schadensebene) für den Ist-Zustand bestimmt. Anschliessend wird mit einer hydrodynamischen Seriensimulation mittels Regenereigniskatalog die Auftrittshäufigkeiten für Überstau (Wasserspiegel oberhalb Schadensebene) und Überflutung (Wasserspiegel oberhalb Terrainkote) berechnet.

La cote critique pour le débordement (qui correspond au niveau de dommage) est déterminée pour chaque regard de visite du réseau d’assainissement primaire en l’état actuel, à l’aide des données du cadastre des conduites. Ensuite, les fréquences d’occurrence des débordements (niveau d’eau supérieur au niveau de dommage) et des inondations (niveau d’eau supérieur au niveau du terrain) sont calculées au moyen d’une simulation hydrodynamique de série continue fondée sur un catalogue des événements pluvieux.

Démarche suivie :

1. Calcul des niveaux d’eau (H_max) et des débits dans les canalisations (Q_max) du système d’assainissement pour tous les événements pluvieux du catalogue.
2. Comparaison des résultats de 1) avec les cotes critiques. Il est ainsi possible de déterminer le nombre d’événements de débordement et d’inondation pour chaque regard.
3. Calcul de la fréquence des débordements (Ü) à l’aide de la durée de la série pluviométrique en années (M ; 31 ans dans ce cas) et du nombre d’événements de débordement (x) : Ü = M / x

La simulation de série continue et l’évaluation sont ensuite réalisées une deuxième fois pour l’état entièrement développé.

Étape 2

Vérification des objectifs de protection

Pour vérifier si les objectifs de protection sont atteints, les fréquences d’occurrence calculées pour les débordements (Ü), pour l’état actuel et l’état entièrement développé, sont comparées avec les fréquences de débordement admissibles pour les différentes classes de biens à protéger (voir tableau 5). Une évaluation supplémentaire vise à déterminer si des inondations se sont produites au regard pendant toute la période de simulation (wet-spots).

Une classe de dommage est ainsi attribuée à chaque regard.

Exemple du regard de visite 831.1 :

Le regard de visite KS 831.1 se situe dans la zone d’habitation, d’où l’attribution de la classe de biens à protéger 2. La fréquence admissible pour les débordements est fixée à une fois en cinq ans.

La cote du couvercle se situe à une altitude de 488,85 m. La profondeur du regard est inférieure à 2 m, signifiant que le niveau critique pour le débordement correspond à la génératrice supérieure de la canalisation sortante, soit 488,15 m.

Le calcul à long terme au moyen du catalogue des événements pluvieux pour l’état actuel et la période de mesure de 31,3 ans donne les niveaux d’eau maximaux ci-après (dans l’ordre décroissant), avec indication de la date et de l’heure de l’événement :

La comparaison de la fréquence d’occurrence calculée avec la fréquence admissible des débordements montre que l’objectif de protection pour le regard KS 831.1 est respecté. Étant donné qu’une inondation s’est produite pendant la période de simulation, le regard de visite doit être considéré comme un wet-spot, dont le danger potentiel doit être analysé dans le cadre d’une visite sur le terrain (analyse sommaire du ruissellement).

Étape 3

Vérification des inondations et définition des wet-spots

La durée d’enregistrement des données pluviométriques est trop courte pour permettre une vérification mathématique de la fréquence d’occurrence des inondations induites par la canalisation. C’est pourquoi il faut repérer les regards où des débordements pourraient se produire, en simulant un événement de fortes pluies (temps de retour > 15 ans). Un contrôle de vraisemblance est ensuite réalisé pour les wet-spots ainsi identifiés ; les voies d’écoulement sont examinées sur le terrain (voir question 1 de la présente étude de cas).

Selon l’analyse des valeurs extrêmes de MétéoSuisse, le catalogue des événements pluvieux contient plusieurs événements ayant un temps de retour supérieur à 15 ans (voir tableau 3), ce qui permet de renoncer à des calculs plus poussés pour un événement de fortes pluies. Sont par conséquent considérés comme wet-spots tous les regards de visite où des inondations se produisent selon le catalogue des événements pluvieux.

Étape 4

Analyse sommaire du ruissellement : analyse de la documentation

Les données et les informations existantes sont compilées dans le cadre de l’analyse de la documentation. Ce qui est particulièrement important à ce stade : les emplacements problématiques connus du réseau d’assainissement et les utilisations sensibles.

Le réseau d’assainissement de la commune de Laupen ne comprend pas de points névralgiques où des refoulements se produisent régulièrement. L’expérience des dernières années et décennies indique que les canalisations sont suffisamment grandes pour évacuer, sans refoulement, les eaux lors de fortes pluies.

Seuls deux endroits de la canalisation d’eaux mixtes présentent des goulots d’étranglement hydrauliques.

Les objets suivants sont classés dans les utilisations sensibles à Laupen :

1. Collège
2. Jardin d’enfants
3. Centre pour personnes âgées

Les documents suivants ont été utilisés pour l’analyse :

• Plan des zones d’affectation de Laupen
• Cadastre des canalisations, informations concernant les ouvrages spéciaux (en particulier cote de la lame déversante)
• Carte de l’aléa ruissellement
• Planification des mesures d’urgence de Laupen (pour le ruissellement)
• Carte des dangers naturels / rapport technique relatif à la carte des dangers naturels
• Interconnexions avec des projets en cours :
  • Protection contre les crues / revitalisation de la Singine
  • Assainissement du trafic au centre de Laupen, avec déplacement de la gare et assainissement des routes

Les informations les plus importants concernant le ruissellement sont présentées ci-dessous.

Les sapeurs-pompiers locaux, la commune et l’Office fédéral de protection de la population (OFPP) ont élaboré une planification des mesures d’urgence pour Laupen en 2019. Dans ce cadre, un inventaire des emplacements et des processus à risque a été dressé et les mesures d’urgence ont été définies. Les points d’observation et d’intervention identifiés en relation avec les eaux de pentes et le ruissellement ont été représentés dans la figure 4 .

La carte de l’aléa ruissellement de l’OFEV permet de repérer les zones potentiellement menacées par le ruissellement. La figure 4 montre un extrait de cette carte ainsi que les terrains en pente recensés par l’Office fédéral de l’agriculture (OFAG) pour la commune de Laupen. La carte de l’aléa ruissellement indique le risque calculé, sur la base des niveaux d’eau, pour un événement pluvieux survenant tous les 100 ans. Il s’agit uniquement d’une carte indicative des dangers, car les structures pertinentes pour le ruissellement n’ont pas toutes été prises en compte dans les calculs.

La comparaison entre les emplacements à risque retenus dans la planification des mesures d’urgence et les terrains en pente et l’aléa ruissellement montre une bonne concordance. Les principaux afflux sont par conséquent inclus dans la planification d’urgence (voir aussi le tableau 6).

Étapes 4 à 7

Conception des mesures pour les emplacements problématiques identifiés

Deux points critiques sont traités ci-après à titre d’exemple. Pour ce faire, les déficits existants sont analysés plus en détail et des mesures appropriées sont formulées et dimensionnées (étapes 4 – 7). Le système adapté est ensuite vérifié encore une fois après le dimensionnement (étapes 8 – 9). Ces deux dernières étapes n’ont toutefois pas été incluses dans l’étude de cas.

Les points problématiques traités ici sont les suivants :

• Canalisation d’eaux mixtes Rollisweg
• Ruissellement dans la zone de l’école de Laupen

Vérification des mesures et définition des priorités en tenant compte de conditions générales supplémentaires

La vérification des mesures doit tenir compte, outre des objectifs de protection et de l’examen des inondations, de conditions générales additionnelles. Une sélection de points pertinents éventuels est mentionnée ci-après (liste non exhaustive) :

• Modification du niveau d’eau (état actuel vs état entièrement développé) : Légère élévation de la ligne de niveau d’eau à l’état entièrement développé, avec une distance par rapport au niveau du terrain encore relativement grande (par ex. élévation de -2,10 m à -1,90 m sous le niveau du terrain). à risque faible, c’est-à-dire pas d’examens complémentaires en raison de l’hydraulique.
• Type (eaux usées, eaux mixtes) : canalisations d’eaux usées ou d’eaux mixtes se situant à une profondeur de 0 à 2 m à examen approfondi des branchements d’immeubles concernés (preuve de l’écoulement gravitaire), sinon preuve qu’il n’y a pas de refoulement vers les branchements d’immeubles.
• État des canalisations d’entrée et de sortie : les installations d’évacuation des eaux présentent des dégâts ou des défauts requérant des mesures selon la stratégie d’assainissement et de maintien (état des constructions) à définir des mesures PGEE, en tenant compte des facteurs que sont l’hydraulique et l’état (par ex. nouvelle construction de remplacement avec agrandissement du calibre). à définir la priorité / l’urgence des mesures selon l’état de la construction et de l’hydraulique.
• Projets tiers dans le périmètre : selon les indications de la commune/ville, des projets de tiers sont prévus dans le périmètre considéré à exploiter les synergies et définir les mesures PGEE en tenant compte des facteurs « Hydraulique », « État » et « Projets de tiers » (par ex. nouvelle construction de remplacement avec agrandissement du calibre, en cas de réaménagement de l’ensemble de l’espace routi

Canalisation d’eaux mixtes Rollisweg

Point problématique 1 : vérification de l’inondation (analyse sommaire) pour la canalisation d’eaux mixtes Rollisweg

Pour les regards de visite (KS) où les calculs ont indiqué un risque d’inondation induite par la canalisation, une première étape consiste en une inspection sur le terrain pour déterminer où s’écouleraient les eaux sortant de la canalisation et quels biens à protéger seraient affectés. Ces résultats seront par la suite pris en compte lors du contrôle des mesures.

Les premières indications sont tirées de la carte de l’aléa ruissellement de l’OFEV, où sont signalées les zones pouvant être touchées par le ruissellement lors d’événements rares à très rares. Elle est fondée sur la modélisation des voies d’écoulement reposant sur le modèle de terrain numérique. Il ne s’agit en l’occurrence que d’une première estimation de l’exposition. À Laupen, le contrôle de vraisemblance des points faibles ainsi identifiés a été réalisé sous la forme d’une inspection sur le terrain.

Exemple KS 1245

L’analyse des voies d’écoulement figurant sur la carte de l’aléa ruissellement permet d’identifier cinq biens-fonds potentiellement menacés (voir zones encerclées en rouge dans la figure ci-dessous). Une inspection sur le terrain (prise en compte des murs, bordures, etc.) permet de contrôler la vraisemblance des voies d’écoulement et de repérer d’éventuels points faibles sur les bâtiments.

L’inspection sur le terrain a fait prendre conscience de la bordure qui longe tout le Rollisweg. En considération des quantités d’eau pouvant potentiellement sortir de la canalisation, il est probable que l’eau demeurerait sur la route. Les voies d’écoulement s’écartent donc de celles qui figurent sur la carte de l’aléa ruissellement, où les eaux quittent la route directement en aval du point de sortie du regard 1245. En tenant compte des chambres avec grille d’entrée le long de la route, seul le bien-fonds situé en aval du carrefour serait probablement menacé. Il présente plusieurs ouvertures dans la façade le long de la voie d’écoulement par lesquelles des eaux usées pourraient parvenir dans le sous-sol et le rez-de-chaussée (voir les endroits marqués en jaune sur la photogra-phie ci-dessous).

L’objectif de protection en matière de ruissellement (c.-à-d. inondation induite par la canalisation et eaux pluviales s’écoulant en surface) doit être examiné dans le cadre d’une analyse détaillée et différentes mesures étudiées (passage, protection de l’objet, agrandissement de la canalisation d’eaux mixtes).

Conception intégrée des mesures contre le ruissellement : école de Laupen

Point problématique 2 : conception intégrée des mesures contre le ruissellement pour l’école

L’analyse des déficits montre que la zone où se trouve l’école de Laupen est d’ores et déjà exposée au risque de ruissellement, à quoi s’ajoute la forte surcharge des canalisations d’eaux pluviales (non-respect de l’objectif de protection en matière de débordement).

Un concept sommaire est par conséquent élaboré pour gérer le ruissellement dans cette zone. Il est représenté dans la figure 5.

Une canalisation séparée est construite pour évacuer les eaux claires parasites par écoulement gravitaire vers la Sarine. Une nouvelle pompe est installée près de la station de pompage Schützenhaus existante pour assurer le déversement d’eaux mixtes en cas de crue ; si le niveau d’eau est élevé dans la Sarine, elle permettra à l’avenir d’évacuer les eaux mixtes de trop-pleins dans la rivière sans refoulement. En complément, des mesures de stockage et de réutilisation décentralisées sont prévues pour réduire la quantité d’eaux claires parasites parvenant sur le périmètre scolaire.

Plan d’action du PGEE