Méthode automatisée pour délimiter les zones de drainage de la gestion naturelle des eaux pluviales grâce au GIS

Par : Humaira Jahangiri¹, Virginia Smith^1* et Jonathan Nyquist²

L’infrastructure naturelle des eaux pluviales (GSI) est une solution pour les environnements fortement urbanisés et contribue à réduire le volume des eaux pluviales tout en limitant la pollution. L’estimation correcte de la surface de drainage contributive est essentielle pour concevoir une GSI fonctionnelle. Pour faciliter la délimitation de cette surface d’une GSI dans un paysage urbain, un processus a été mis au point. Contrairement à la délimitation des surfaces de drainage dans les zones non aménagées, les zones en milieu urbain sont soumises à la microtopographie (bordures de route, trottoirs, bâtiments) et à l’infrastructure des eaux pluviales (avaloirs, gouttières ou GSI) qui influe sur le ruissellement. Ce processus complet de délimitation d’un bassin versant urbain intègre la GSI, les bâtiments et les avaloirs en modifiant le modèle numérique d’élévation (MNE) pour incorporer ces entités dans le paysage hydrologique.

La zone de drainage désigne la quantification d’une surface s’écoulant vers un point unique. De nombreux efforts ont porté sur la délimitation du drainage et de la GSI, mais il existe une absence de consensus quant à la méthode la plus adaptée pour déterminer les limites d’une zone de drainage en milieu urbain. Les sites peuvent faire état de différentes zones de drainage selon la méthode appliquée à l’estimation des zones de drainage et selon la résolution des données utilisée. Il est possible d’estimer les zones de drainage à l’aide de dessins AutoCAD ou de relevés matériels effectués pendant les précipitations. Les deux méthodes présentent des difficultés et sources d’erreur propres, par exemple en matière de temps et d’informations nécessaires.

Ce processus de délimitation présente une procédure automatisée créée dans ArcGIS pour trouver efficacement et précisément la zone de drainage. Les données raster utilisées dans le cadre de cette analyse incluent des données topographiques sur une plage d’échelles, des shapefiles de bâtiments, des avaloirs et GSI. Les données topographiques en entrée de cette étude varient entre une échelle fine (résolution d’1 pied, soit environ 30 cm) à une échelle approximative (résolution de 10 pieds, soit environ 3 m) pour les MNE issus de la technique lidar, les MNE publics et les MNE dérivés des isolignes. L’étude de cas de ce processus est un site GSI avec deux jardins de pluie reliés par une bande d’herbe au sud de Philadelphie en Pennsylvanie. Ce site a été développé par le Philadelphia Water Department (PWD), équipé et analysé par l’Université de Villanova dans le cadre d’une subvention STAR (Science to Achieve Results) accordée par l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA). Cette analyse représente une partie seulement des recherches plus importantes menées sur la GSI. La procédure de cette analyse se divise en trois phases : prétraitement des MNE, analyse de l’écoulement et analyse du bassin.

Les MNE sont traités pour éliminer les cuvettes et les pics des données à l’aide de l’outil Remplissage. Les avaloirs d’eaux pluviales et les entités de la GSI sont bufférisés pour correspondre à la taille des entités hydrographiques. L’élévation des avaloirs, de la GSI et des infrastructures des bâtiments est ensuite ajoutée aux tables attributaires. Les shapefiles des infrastructures sont convertis en raster à l’aide de l’outil Entité vers raster.

Les nouveaux fichiers d’infrastructure raster sont alors intégrés au MNE sans dépression. L’outil Plus a été utilisé pour ajouter la hauteur des bâtiments tandis que l’outil Moins a permis d’abaisser les avaloirs dans le MNE. Les bateaux et la GSI sont abaissés dans les MNE issus de la technique lidar. Toutes les sorties obtenues à l’aide de ces outils sont par la suite combinées en un seul raster en utilisant l’outil Mosaïque.

Le MNE mosaïqué est utilisé pour analyser la direction du flux au niveau de chaque cellule avec l’outil Direction de flux, puis subit un nouveau traitement pour attribuer une valeur d’accumulation selon la direction de l’écoulement à l’aide de l’outil Accumulation de flux. Les lignes détaillées obtenues sur les MNE haute résolution incorporent la microtopographie dans le paysage urbain, comme illustré à la figure 2. À l’inverse, les lignes de flux des MNE à basse résolution présentent moins de lignes de flux passant par la GSI et les avaloirs les plus proches, ce qui aboutit à un moindre nombre de lignes de flux et une augmentation du carroyage du MNE.

L’utilisation de l’outil Bassin de Spatial Analyst a permis de produire les sous-bassins de l’infrastructure naturelle des eaux pluviales ainsi que les avaloirs.Ces fichiers ont été convertis en entités surfaciques. L’outil de traçage du chemin de flux d’Arc Hydro a facilité le traçage des avaloirs et des sous-bassins en amont, ce qui a permis d’identifier les sous-bassins s’écoulant dans la GSI. Ces polygones de sous-bassins ont été exportés et la surface totale de drainage a été calculée dans la table attributaire.

La Figure 3 présente les différentes zones de drainage obtenues en fonction des différentes résolutions MNE. Les bassins de drainage affichés avec une résolution plus grossière sont de taille plus importante et de forme moins complexe. Le calcul des surfaces s’écoulant dans la GSI change ; il s’agit d’un aspect important de la conception de la GSI.

La table ci-dessous montre les zones de drainage de ce site correspondant aux différentes résolutions MNE. Les surfaces augmentent au fur et à mesure de la diminution de la résolution MNE. Les MNE de résolution grossière lissent la microtopographie telle que les bordures de route, les trottoirs et le sommet des chaussées. En s’appuyant sur les relevés effectués sur le terrain, la zone de drainage obtenue à la résolution MNE la plus élevée (carroyage d’un pied), est similaire à la zone de drainage obtenue par les relevés topographiques sur site (estimation PWD) et est donc la plus acceptable. La même analyse a été réalisée pour d’autres localisations et a produit des résultats comparables. Des investigations supplémentaires sont en cours pour trouver la résolution MNE optimale afin de délimiter la zone de drainage dans le paysage urbain.

1 : Villanova University, Department of Civil and Environmental Engineering, Tolentine Hall 143, 800 Lancaster Ave., Villanova, PA 19085

2 : Temple University, Department of Earth and Environmental Science, Beury Hall, 1901 N. 13th St., Philadelphia, PA 19122-6081, États-Unis

Auteur correspondant : Virginia Smith 

Les questions peuvent être adressées à Virginia Smith, Virginia.Smith@Villanova.edu

Cette publication a été réalisée sous convention d’assistance N° 83555601 accordée par l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) à l’université Villanova University et au Philadelphia Water Department (PWD). Elle n’a pas fait l’objet d’une révision formelle de l’EPA ni de PWD. Les points de vue exprimés dans ce document sont exclusivement ceux de l’université Villanova et ne reflètent pas nécessairement celle de l’EPA ni de PWD. Ni EPA or ni PWD n’approuve aucun produit ou service commercial mentionné dans cette publication.