Cours Modelisation Calage2010

ANJOU RECHE RECHERCH RCHE E

ANJOU RECHERCHE

MODELISATION DES RESEAUX D’ASSAINISSEMENT CONCEPTS APPROCHES ET ETAPES

COURS de 3

ème

ANNEE de l’ENGEES

Par Mathieu ZUG et José VAZQUEZ

Extrait de « Modélisation du bassin versant de Boudonville », Nancy

SOMMAIRE 1.

INTRODUCTION GENERALE ................................................................ ............................... .................................................................. ....................................................... ...................... 4

2.

LA MODELISATION ................................................................ ................................ ................................................................. ................................................................. ....................................... ....... 6 2.1 MODELISATION : CONCEPTS , APPROCHES, ET ETAPES .......................................................................................6 2.1.1 Les modèles ............................................................ ............................ ................................ ................................ ................................ ................. 6 2.1.2 Les différents types de modèles............................ modèles............................................................ ................................ .................................. ................. 6 2.1.3 Les problèmes à résoudre.............................. résoudre ............................................................ ............................................................ ........................................................... ............................. 7 2.2 ETAPES METHODOLOGIQUES .............................................................................................................................8

3.

PRISE EN COMPTE DES DONNEES ................................................................. .............................. ................................................................... ......................................... ......... 10 3.1 ORIGINE ET TYPES DE DONNEES DU SITE..........................................................................................................11 3.2 LES DONNEES « MESUREES » EVENEMENTIELLES ............................................................................................12 3.2.1 Les grandeurs mesurables ................................ ............................... ................................ ..................... 12 3.2.2 Spécificité des mesures par temps de pluie ............................... ................................. .......................... 13 3.2.3 Mesure des pluies............................................. pluies............ ................................. ................................. ............................... ..................... 13 3.2.4 Mesure du débit...................................................... débit....................... ............................... ................................ ................................ ............... 14 3.2.5 Mesure de la pollution ........................................................... ........................... ................................ ............................... ................................ 15 3.2.6 Synthèse des erreurs de mesures ............................... ................................. ................................ .......... 17

4.

LES PRINCIPAUX PHENOMENES .................................................................... .................................. ................................................................. ......................................... .......... 19 4.1 MODELISATION QUANTITATIVE .......................................................................................................................19 4.1.1 Transformation pluie brute-pluie nette ................................ .................................. .............................. ............................. . 19 4.1.2 Transformation pluie nette-ruissellement.......................... nette-ruissellement............................................................. .................................................................. ............................... . 20 4.1.3 Hydraulique ............................................................. .............................. ............................... ................................ ............................................. .............................. ............... 21 4.2 MODELISATION QUALITATIVE .........................................................................................................................23 4.2.1 Les fonctions de production en surface de bassin versant.................................................. versant.............. ..................................................... ................. 24 4.2.2 Les fonctions de transfert en réseau ..................................................................... ................................... .................................. ............................... . 25 4.2.3 A titre d’Information ................................. ................................. ................................. .......................... 29

5.

SCHEMATISATION, CALAGE, VALIDATION ET EXPLOITATION ................................................ .............................. .................. 30 5.1 SCHEMATISATION PREALABLE.........................................................................................................................30 5.2 CRITERES DE COMPARAISON............................................................................................................................31 5.3 LE CALAGE.......................................................................................................................................................33 5.4 LA VALIDATION ...............................................................................................................................................37 5.5 E N RESUME RESUME ......................................................................................................................................................42 5.6 EXPLOITATION DES MODELES CALES ET VALIDES............................................................................................43 5.6.1 Pluies du groupe 1 ............................................................ ............................. ............................... ................................ .................................... .............................. ...... 44 5.6.2 Pluies du groupe 2 ............................................................ ............................. ............................... ................................ .................................... .............................. ...... 45 5.6.3 Pluies du groupe 3 ............................................................ ............................. ............................... ................................ .................................... .............................. ...... 46

6.

BIBLIOGRAPHIE ................................................................. ................................ ................................................................. ................................................................ ........................................... ........... 47

7. ANNEXE 1: EXTRAITS D’UN TEXTE REDIGE PAR HENRI BOUILLON, DANS LE CADRE DU CERTU A PROPOS DES COURBES IDF (SE REFERER AU LE GUIDE « LA VILLE ET SON ASSAINISSEMENT » DU CERTU DE JUIN 2003................................................................................................51 8.

ANNEXE 2: LA REPARTITION DE LA POLLUTION DANS LES EAUX DE PLUIE....................... PLUIE.......... ............. 55

9. ANNEXE 3 « MODELISATION ASSAINISSEMENT DU BASSIN DE BOUDONVILLE PAR LE LOGICIEL HYDROWORKS DMTM »....................................................................................................................57 9.1 9.2

I NTRODUCT NTRODUCTION ION ................................................................................................................................................57 PRESENTATION RESENTATION DU SITE ET DU BASSIN DE GENTILLY ......................................................................................57

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2

9.3

MISE AU POINT DU MODELE MATHEMATIQUE (CONFIGURATION ACTUELLE DU BASSIN DE GENTILLY )..................................................................................................................................................................59 9.3.1 Calage du modèle en hydraulique............................. hydraulique ............................................................. ................................ ................................. .......... 59 9.3.2 Validation du modèle en hydraulique ................................ ................................ ................................. . 60 9.3.3 Mise au point et verification du modèle pollution.............................................. pollution............. ................................. ................................. . 63 9.3.4 Mise au point du modèle en pollution à la sortie du bassin ................................................................ ............................. ................................... 63 9.3.5 Discussion des résultats en pollution ................................................................ .............................. .................................. ................................... 64 9.4 SYNTHESE....................................................................................................................................................65

10. ANNEXE 4 « « ETUDE DE DEFINITION DU DEBIT DEBIT DE REFERENCE D’UNE STATION D’EPURATION : APPLICATION AU SYSTEME D’ASSAINISSEMENT DE GRAND COURONNE » ...66 ... 66 10.1 CONTEXTE ..................................................................................................................................................66 10.2 OBJECTIFS ...................................................................................................................................................66 10.3 DEMARCHE ADOPTEE .............................................................................................................................67 10.4 SITE D’APPLICATION ...................................................................................................................................67 NALYSE PLUVIO PLUVIOMET METRIQUE RIQUE.......................................................................................................................67 10.5 A NALYSE 10.6 MESURES ....................................................................................................................................................69 10.7 MODELE « RESEAU » ................................ ............................... ................................ .............................. ..... 69 10.7.1 Construction du modèle............................. modèle ............................................................. ................................ ................................ ........................... 70 10.7.2 Calage et validation du modèle ................................ ................................. ................................. .......... 70 10.8 MODELE « BASSIN TAMPON ET PRE-TRAITEMENTS »..................................................................................72 10.9 MODELE « STATION » ............................... ............................... ................................ ............................... .... 73 10.9.1 Construction du modèle............................. modèle ............................................................. ................................ ................................ ........................... 73 10.9.2 Calage et validation du modèle ................................ ................................. ................................. .......... 73 10.10 MODELE INTEGRE « RESEAU + BASSIN TAMPON + PRE-TRAITEMENTS + STATION » ............... ...................... ............... ............74 ....74


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1. INTRODUCTION GENERALE En raison de l’accroissement constant de l’urbanisation et de l’extension des surfaces imperméabilisées, le ruissellement urbain a pris de plus en plus d’importance depuis une trentaine d’années. Afin de protéger les riverains contre les inondations, les eaux pluviales ont longtemps été considérées sous un angle purement hydraulique avec la volonté d’évacuer le volume ruisselé le plus rapidement possible. Néanmoins, l’urbanisation croissante ne se manifeste pas seulement en matière de débit, mais aussi en matière de pollution. Ce n’est cependant qu’à partir des années 70 que l’on s’est véritablement tourné vers une approche qualitative des eaux pluviales et donc de leurs impacts sur le milieu naturel. En effet, la pluie se charge en poussière dans l’air, lessive les toitures, les trottoirs et les chaussées, rejoint le réseau d’assainissement, est éventuellement mélangée à des eaux usées urbaines, peut éroder des dépôts se trouvant dans les collecteurs, avant de rejoindre le milieu naturel. Il faut en outre rappeler que selon la nature du réseau, séparatif pluvial ou unitaire, l’eau polluée rejoint directement le milieu naturel pour l’un et rejoint le milieu naturel après traitement par une station d’épuration ou directement au droit des déversoirs d’orage pour l’autre. Par conséquent, les eaux polluées rejoignent souvent les milieux naturels sans traitement et leur impact est d’autant plus important, aussi bien à court terme qu’à long terme. Le système général englobant le réseau de collecte, le système de traitement et le milieu naturel peut donc être représenté sous la forme du schéma en Figure 1.

Figure 1 :Schéma général du système.

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De nombreux travaux de recherche s’accordent à reconnaître l’importance de cette pollution et estiment que les flux polluants à l’échelle de l’événement pluvieux sont très largement supérieurs aux flux journaliers rejetés par les stations d’épurations et ceci, pour de nombreux paramètres polluants. Dès lors, la maîtrise de ces rejets urbains par temps de pluie est devenue une nécessité pour de nombreuses villes et régions, nécessité amplement exprimée par la loi sur l’eau de 1992 et les décrets de 1993. La première rend obligatoire le traitement approprié des eaux urbaines de temps de pluie pour respecter les normes de rejets édictées et les seconds, relatifs aux procédures d’autorisations et/ou de déclarations de rejets au droit des déversoirs d’orage. Cette maîtrise nécessitera dans les années à venir une remise en cause des pratiques actuelles et la mise en œuvre d’un certain nombre de solutions pour chaque situation. L’appréhension de cette pollution commence par une meilleure connaissance des phénomènes mis en jeu à l’amont et au sein du réseau d’assainissement. A l’heure actuelle, elle passe par deux méthodes principales, à savoir la mesure in situ et la modélisation numérique . D’une manière générale, la modélisation de la pollution apparaît comme l’un des moyens pour comprendre, caractériser et finalement anticiper cette pollution . Ainsi les outils de modélisation de l’hydraulique et de la pollution en réseau d’assainissement permettront d’initier des actions très intéressantes, comme l’évaluation des débits et flux polluants arrivant à la station d’épuration et dans le milieu récepteur et donc d’offrir la possibilité d’étudier les moyens de minimiser les nuisances de cet apport de pollution. De plus, ils contribueront également à tester les répercussions soit d’une gestion différente des ouvrages du réseau (et à plus long terme une gestion en temps réel), soit de certains aménagements susceptibles de modifier les caractéristiques ou le mode de rejet des eaux polluées. Mais si la modélisation numérique de l’hydraulique permet l’obtention de résultats de bonne qualité (hormis pour certains ouvrages spécifiques tels que les déversoirs d’orage), la modélisation de la pollution reste délicate et ceci, autant au niveau de la complexité des phénomènes mis en jeu et de l’état des connaissances que de la disponibilité ou l’existence de données expérimentales spécifiques et fiables. Car il faut noter que modélisation et mesures in situ doivent être menées de façon conjointe.


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2. LA MODELISATION 2.1 Modélisation : concepts, approches, et étapes Pour décrire la réalité complexe de l’hydraulique et de la pollution en réseau d’assainissement, un important effort de développement des modèles mathématiques a été réalisé depuis trente ans. Cet effort a été grandement favorisé par le développement des moyens informatiques. Ainsi, il est important de faire quelques rappels sur les modèles, les différentes approches modélisatrices et les différentes étapes à suivre. 2.1.1 Les modèles

Les modèles mathématiques, d’une façon très générale, sont constitués: - d’un ensemble de variables, choisies pour représenter l’objet étudié, - d’un ensemble de relations mathématiques entre ces variables, choisies pour représenter son fonctionnement. Ces relations, qui doivent permettre de calculer les variables de sortie en fonction des variables d’entrée, font aussi intervenir d’autres paramètres. Cette imitation recouvre deux fonctions essentielles, complémentaires et indispensables : - l’une de représentation simplifiée de la réalité, perçue d’un certain point de vue par le modélisateur, à travers un filtre conceptuel : un modèle est donc une interprétation et non simple reproduction, - l’autre, d’instrument d’étude de cette réalité, conçu pour répondre à un certain objectif guidant l’ensemble des choix faits au cours de la modélisation : un modèle est donc aussi une représentation orientée et sélective. D’où le caractère doublement relatif d’un modèle, qui dépend tout à la fois de la justesse des conceptions et hypothèses sur lesquelles il repose et de l’objectif poursuivi. Ainsi, il est nécessaire, bien que cela soit trop souvent oublié, d’expliciter clairement les objectifs poursuivis, les choix, hypothèses et approximations de l’outil, et enfin définir, si c’est possible, les limites de son domaine de validité et donc définir son champ d’application. 2.1.2 Les différents types de modèles

On distingue généralement trois grands types d’approches pour la mise au point de modèles : l’approche statistique, l’approche conceptuelle et l’approche déterministe ou mécaniste. - avec l’approche empirique : on cherche à lier les différentes variables ou grandeurs du système à partir de séries de données expérimentales en utilisant des techniques statistiques telles que les régressions simple ou multiple, linéaire ou non linéaire, sans chercher à comprendre les mécanismes réellement en jeu, - avec l’approche conceptuelle : on cherche à établir des relations aussi bonnes que possible entre les entrées et les sorties du système à travers un ensemble de variables d’états qui peuvent ou non, avoir un sens physique, ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

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- avec l’approche mécaniste : on cherche à décrire par les équations de la mécanique, de l’hydraulique, de la chimie et de la biologie, l’ensemble des phénomènes qui se produisent dans le système considéré.

2.1.3 Les problèmes à résoudre

De nombreux problèmes restent à résoudre pour parvenir à des modèles qui soit à la fois fondés scientifiquement et opérationnels. En effet, toute modélisation est assujettie à des erreurs difficiles à réduire ou à compenser, provenant tant du modèle que des données et de leurs interactions au cours de la modélisation . En effet, on rencontre différents problèmes : - les erreurs liées à la structure du modèle : les limites théoriques (par exemple en hydraulique), les approximations théoriques, les approximations numériques (solutions approchées) et les approximations spatiales (description du bassin versant), - la disponibilité des données : les problèmes métrologiques et méthodologiques, - l’adéquation des données au besoin de la modélisation, - le calage et la validation du modèle.

Toute modélisation nécessite des phases de paramétrisation et de vérification du modèle qui, en plus des variables d’entrée, font appel à des chroniques de mesures de certaines variables de sortie. Le Calage : Faute de pouvoir mesurer ou estimer certains des paramètres du modèle ET compenser sur ces seuls paramètres les erreurs liées au modèle et/ou aux données , il est nécessaire de les estimer par calibration (ou calage), en optimisant (manuellement ou automatiquement) l’ajustement de certaines variables simulées à leurs valeurs mesurées. La Validation : l’étape de calage ne suffit cependant pas à valider les modèles et donc à s’assurer de leur « réalisme ». Il reste encore à vérifier la qualité du modèle calibré sur des séries de mesures non utilisées lors du calage. Cette validation doit être menée d’une part sur d’autres périodes sur le même bassin et d’autres parts sur d’autres sites, étape qu’on nommera Transposition. Ainsi, il est tout à fait indispensable de réaliser les phases de calibration, validation et transposition du modèle étudié. Si en terme de modélisation hydraulique (Barré de Saint Venant, Muskingum), les différentes étapes de mise au point et de tests sont maintenant courantes , il n’en est pas du tout de même pour la modélisation de la pollution. La grande majorité des modèles de pollution sont présentés comme étant en phase de validation, sans justification de la phase de calibration, et sans que les cas de validation soient véritablement nombreux. De plus, la phase de transposition en pollution reste quasi inexistante.

Enfin, il est essentiel de rappeler qu’un modèle de simulation de la pollution se doit d’être en premier lieu un modèle de simulation de l’hydraulique, car l’hydraulique est indispensable à l’évaluation de la pollution.


7

++++++

Complexité et Difficulté de résolution

-----

-----

Modèle mécaniste

Modèle conceptuel

Modèle Empirique

Nombre de paramètres et difficulté de calage

++++++

2.2 Etapes méthodologiques Si la construction d’un modèle calé par rapport à des observations expérimentales est assez aisée, l’élaboration d’un modèle convenablement validé est au contraire très difficile . Le fait de ne pouvoir atteindre que très rarement la totalité des objectifs fixés par les critères de justification ne doit pas empêcher de construire des modèles qui, même insuffisants, guident le travail de réflexion et d’observation. Mais il est au moins aussi utile de savoir apprécier où se situent les insuffisances, afin de pouvoir progresser. Il reste indispensable que l’élaboration d’un modèle soit une interaction entre expérience et théorie . On représente sous forme de schéma, les différentes étapes méthodologiques de la mise en œuvre d’un modèle (Figure 2).


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Définition du Problème Données à priori

Informations à priori Analyse du système

Définition des objectifs de la modélisation Construction du modèle

Acquisition de données non

Analyse de sensibilité à priori oui

non

Calage et Vérification du modèle oui

non

Validation du modèle oui

non

Transposition du modèle oui

Utilisation du modèle Figure 2 :Etapes méthodologiques dans la mise en œuvre des modèles.


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3. PRISE EN COMPTE DES DONNEES Les données nécessaires à la construction et à l’exploitation des différents logiciels sont de deux types : les données du site et les données « mesurées » événementielles. Elles sont présentées sous forme de schéma ci-dessous. PLUIE HYÉTOGRAMME

PÉRIODE DE TEMPS SEC

BASSIN VERSANT SURFACE IMPERMÉABILISATION PENTE (TOPOGR.) ALLONGEMENT

TYPE D'ACTIVITÉS REJETS E.U. DÉPÔTS INITIAUX AU SOL

RESEAU DONNEES (calage-validation ) STRUCTURE DIMENSION PENTES RUGOSITÉS APPORT PARASITE

APPORTS SPÉCIFIQUES

DÉBITS

FLUX POLLUANTS

DÉPÔTS INITIAUX

Figure 3 : Les données nécessaires à la modélisation.

•

Les données du site Les données d’entrée traduisant les caractéristiques des différents éléments de la schématisation préalable (description de la topologie des bassins versants et des réseaux), sont également les données indispensables à la description du modèle mathématique pour un logiciel de simulation. Les données topologiques caractérisent l’ensemble des éléments déterminés lors de la schématisation préalable du système, à savoir les nœuds de calculs, les liens entre les nœuds et les types d’occupation de sol.

•

Les données « mesurées » événementielles Les données événementielles comprennent essentiellement des mesures par temps sec et par temps de pluie. Au moins une campagne de mesure en temps sec et trois événements pluvieux sont nécessaires pour le calage et la validation du modèle. Ceci est bien entendu un minimum .


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3.1 Origine et types de données du site Cette partie comprend principalement la collecte et la synthèse des données disponibles relatives à la zone d'étude, qui correspond a priori à sa zone d'assainissement collectif actuelle (ou prévisible à court terme). Il faut donc tout d’abord définir précisément le périmètre de la zone étudiée. Les données peuvent être analysées à partir des documents existants suivants : -

plans et cartes, photos aériennes récentes ; études antérieures (assainissement, urbanisme, environnement, ...) ; notices de fonctionnement (usine d'épuration, ouvrages spécifiques) ; registres d'exploitation (curages, branchements, travaux, ...) ; conventions spéciales de déversement (CSD), passées avec les industriels ; plans d'occupation des sols (POS) ; bases de données locales (consommations d'eau potable, données pluviographiques, ...) ; outil cartographique existant ; …

Les données a collecter sont celles relatives à la consommation d’eau potable , à la population, au réseau d’assainissement et a son fonctionnement et au bassin versant étudié Données relatives à la consommation d’eau potable : Ces données seront collectées auprès de l’exploitant sous la forme des consommations annuelles (pour plusieurs années), particulières ou industrielles. La discrétisation des consommations se fera rue par rue, afin que le Chargé d’Etude puisse affecter cette consommation d’eau potable à chaque bassin versant défini lors de la schématisation. Données relatives à la population : La population existante sera déterminée à partir du dernier recensement disponible et actualisée à partir d’informations plus récentes fournies par les services municipaux. Comme pour la consommation d’eau potable, les données relatives à la population seront discrétisées de façon à ce que le Chargé d’Etude puisse affecter ces données à chaque bassin versant défini lors de la schématisation. L’évolution de la population à court, moyen et long terme devra également être pris en compte, afin de pouvoir l’intégrer le cas échéant dans les scénarios de simulation en phase d’exploitation du modèle. Données relatives au bassin versant étudié : Ces données concernent, la zone d'étude (topographie, urbanisation actuelle et prévisible, industries et activités présentes et pressenties,.), la climatologie locale (pluviométrie, température,..), la géologie et l'hydrogéologie locale (position et variation des nappes, ..). Données relatives au réseau d’assainissement et à son fonctionnement : Ces données concernent le réseau de collecte existant (type de système, tracé, sections, pentes, cotes planimétriques et altimétriques, état des raccordements, rejets industriels, ….) et ses ouvrages spécifiques (déversoirs d'orage, bassins de stockage, chambres de dessablage, postes de relèvement et de refoulement, siphons, exutoires, …), ainsi que, le cas échéant, l'usine d'épuration existante.


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3.2 Les données « mesurées » événementielles En hydrologie urbaine, les termes de mesure ou de métrologie sont associés à un ensemble de méthodes et d’outils ayant trait aux appareils de mesure, au suivi, à l’analyse et au traitement des données en différents points du système d’assainissement. Ce paragraphe sur la métrologie en hydrologie urbaine a pour objectif de présenter de manière succincte, les grandeurs mesurables, les spécificités de la mesure en réseau d’assainissement ainsi que les mesures de pluie, de débit et de pollution pouvant être appliquées dans un objectif de modélisation. Etant donné les nombreux ouvrages existants sur le thème des appareils de mesures et leur utilisation, les paragraphes ayant trait aux différentes mesures se concentreront plutôt sur les différentes informations à recueillir, les erreurs dont elles peuvent être entachées et des exemples d’analyse de ces données. 3.2.1 Les grandeurs mesurables

Les paramètres à mesurer (en dehors des données structurelles du site) peuvent se regrouper en trois grandes catégories, à savoir la pluie, le débit, et la pollution.

La mesure de la pluie est essentielle puisque les précipitations représentent la variable d’entrée du système d’assainissement. La pluie est un phénomène variable dans le temps et l’espace et sa mesure est généralement faite point par point et exprimée en terme d’intensité en fonction du temps (ou hyétogramme). Les mesures de débit et de pollution doivent se faire de façon simultanées, en temps sec ou en temps de pluie et sont elles aussi déterminantes puisqu’elles représentent les deux plus importantes variables de sortie du système d’assainissement. Leurs mesures se font généralement en terme de débit et concentration en fonction du temps (hydrogramme et pollutogramme). Néanmoins, si on commence à disposer d’une « solide » expérience et même de pouvoir « quantifier » les erreurs et imprécisions dans le domaine de la mesure de la pluie et des débits, il n’en est pas de même dans le cas des mesures sur les concentrations. Si les mesures de la pluviométrie et du débit se font en continu, sur toute la durée de la campagne de mesures, la mesure des matières polluantes s'effectue ponctuellement (manuellement ou automatiquement), par temps sec et par temps de pluie. Par temps de pluie, il, faut que : - L'événement pluvieux soit suffisamment "significatif" pour que les résultats des mesures puissent être interprétés. Ce terme "significatif", on l'entend bien sûr pour l'écoulement généré : . en termes de quantité, les pluies dont la hauteur d'eau précipitée est faible risquent de donner des résultats difficilement interprétables ; . en termes de qualité, les pluies intervenant par exemple dans une période de pluviométrie abondante n'apporteront que peu de matières polluantes par ruissellement et, là encore, les résultats seront délicats à interpréter. ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

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- Le nombre de pluies faisant l'objet de mesures complètes (y compris l'analyse des paramètres représentatifs des matières polluantes) soit le plus important possible, afin de pouvoir dégager des corrélations nettes et des conclusions solides. - Si la mesure a pour but immédiat de caler un logiciel de modélisation, les deux contraintes développées ci-dessus doivent être respectées. Ainsi, on s'attachera particulièrement à n'analyser que des écoulements engendrés par des pluies bien isolées, avec une hauteur d'eau totale précipitée importante (au moins 5 mm), une ou des intensités maximum importantes. De plus, le nombre de pluies analysées devra être au moins égal à trois.

3.2.2 Spécificité des mesures par temps de pluie

Les mesures en réseau d’assainissement présentent des caractéristiques et des contraintes spécifiques qui rendent difficile leur mise en œuvre et leur exploitation. En dehors de l’aspect purement financier d’une campagne de mesure (qui est tout de même la contrainte principale), le caractère événementiel et extrêmement variable de la pluie induit la nécessité de disposer de différents appareils de mesure fiables, prêts à fonctionner à tout moment de manière synchrone et de pouvoir supporter des conditions délicates comme par exemple des mises en charge du réseau. De plus, il est nécessaire de rappeler qu’il s’agit de mesures sur des effluents urbains qui transitent dans des réseaux insalubres et dont l’environnement est « hostile » à la mesure (milieu humide, pouvant être corrosif,...). L’analyse de différentes campagnes de mesures [Cherrered 1990] a permit de définir plusieurs critères importants dans le choix d’une méthodologie. Les principaux sont : les objectifs, les paramètres à mesurer, le choix du site de mesure et enfin les moyens disponibles. « Une campagne de mesures par temps de pluie ne s’improvise pas et doit répondre à des objectifs précis qui auront été définis préalablement en fonction des besoins de l’utilisateur final des résultats. Il sera ainsi possible de faire toutes les mesures nécessaires et rien que les mesures nécessaires » [Bertrand-Krajewski 1996]

Il est donc indispensable d’analyser les différentes données disponibles et de les critiquer. 3.2.3 Mesure des pluies Bien que cette mesure ne soit pas directement liée à l'effluent en lui-même, il est nécessaire, que ce soit pour comparer des mesures entre elles ou utiliser un logiciel de modélisation, d'avoir une idée précise de la pluviométrie durant la campagne de mesures sur le système d'assainissement. Cette précision doit permettre de connaître, sur des intervalles de temps relativement courts (classiquement 5 minutes), la hauteur d'eau précipitée, c'est-à-dire l'intensité moyenne sur chaque pas de temps. C'est la relative rapidité du cycle "pluie - ruissellement sur le sol écoulement en réseau" qui nous oblige à considérer la discrétisation de la pluie sur des pas de temps courts. A ce titre, les données pluviométriques de Météo France (sur la journée, ou sur des pas de temps souvent supérieurs à l'heure) sont insuffisantes. Il existe actuellement deux principales techniques pour la mesure des précipitations en hydrologie urbaine : le pluviographe ou le réseau de pluviographes et le radar météorologique. Le type de pluviographe le plus courant, c’est à dire celui à augets basculant, est bien entendu un appareil non parfait et à ce titre, les mesures sont donc entachées d’erreurs multiples. ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

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La précision globale des mesures pluviographiques, réalisées en respectant les règles de bases, peut alors être estimée à environ 10% pour des pluies courantes, mais pouvant être largement supérieures dans le cas de fortes intensités par exemple. Un des moyens d’analyser les événements pluvieux disponible est la représentation sous forme de courbes IDF (Intensité-Durée-Fréquence), comme le propose la Figure 4. IDF : modèle probabiliste de l’intensité de pluie extrême au cours d’un événement pluvieux. Les courbes donnent la fréquence (ou période de retour) au cours d’un événement pluvieux d’une intensité maximale moyenne pendant une certaine durée. L’événement pluvieux caractérisé est utilisé en entrée d’un modèle hydrologique simple pour déterminer la probabilité de défaillance des ouvrages de stockage ou d’évacuation des eaux pluviales.

0.4

Maurepas Les Ulis Nord Mantes la Ville Massy Brest Fresne-Choisy Entzheim IDF T=1an IDF T=2an IDF T=5ans

0.3 ) n m / m m ( e n n e 0.2 y o m é t i s n e t n I

0.1

0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Durée de pluie (mn)

Figure 4 : Exemple d’Analyse des pluies à l’aide des courbes IDF, Région 1.

3.2.4 Mesure du débit

La fiabilité de la mesure de débit est primordiale, car l'hydraulique sert de base au dimensionnement du réseau et car elle est le vecteur des matières polluantes. Il est donc nécessaire de mesurer le débit avec un pas de temps le plus fin possible (autour de la minute, voire moins), pour bien décrire l'hydrogramme (courbe de débit en fonction du temps), surtout en ce qui concerne les pointes. Comme pour la mesure de la pluie, les erreurs de mesures peuvent provenir soit des phénomènes mesurés, soit des techniques de mesures : régime d’écoulement par temps de pluie, conditions hydrauliques proches de la section de mesure, mise en charge... On trouve dans la littérature quelques chiffres d’erreurs de 5 à 25% selon les conditions de l’appareil [Maksimovic 1986]. La précision globale des mesures de débit, réalisées en respectant les règles de bases, peut alors être estimée à environ 10%, mais pouvant être largement supérieure dans le cas de faibles débits ou de mises en charge par exemple. ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

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Un des moyens non pas d’analyser les mesures de débits à proprement dit mais plutôt d’analyser conjointement la pluie et le débit (ou dans certains cas la hauteur d’eau) est de représenter sur le même graphique les deux grandeurs et de vérifier la concomitance des informations fournies. Un exemple est proposé en Figure 5. Hau teu r B 1 - 24/02 au 06/03/00 8.0

0

7.0

2

6.0

4

) 5.0 m ( r u 4.0 e t u a h 3.0

) h 6 / m m ( 8 é t i s n e 10 t n i

mesurée simulée

2.0

12

1.0

14

0.0

2 / 4 2

2 / 5 2

2 / 6 2

2 / 7 2

2 / 8 2

2 / 9 2

3 / 1

3 / 2

3 / 3

3 / 4

3 / 5

3 / 6

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Figure 5 : Exemple d’Analyse pluie-Débit, Hauteur dans le bassin de Gentilly à Nancy.

3.2.5 Mesure de la pollution

Les matières polluantes contenues dans un effluent urbain peuvent être décrites, de façon plus ou moins fine, par des paramètres significatifs d'une partie de ces matières. Certains de ces paramètres, tels la turbidité, le pH, la conductivité, peuvent être mesurés en continu, mais cela nécessite à chaque fois des matériels spécifiques, souvent très contraignants en termes de maintenance. Pour simplifier la mise en place du matériel et limiter les coûts, il faut s'en tenir aux paramètres que l'on mesure sur des échantillons prélevés dans l'effluent que l'on veut caractériser. En fonction du budget et du matériel disponibles, il est alors possible de définir une liste "économiquement et techniquement minimale", qui comprend, dans notre cas, les paramètres simulés par la plupart des logiciels : MES, sur eau brute, DCO, sur eau brute et eau filtrée, DBO5, sur eau brute et eau filtrée, N-NH4, sur eau brute, NTK, sur eau brute et eau filtrée. Le pollutogramme mesuré représente la donnée indispensable à l’étude et à la modélisation de la pollution et l‘évaluation de ses erreurs est déterminante. La détermination d’un pollutogramme nécessite la réalisation d’une procédure analytique qui comprend généralement : l’échantillonnage, le transport et la conservation des échantillons et l’analyse physico-chimique. En reprenant les différentes étapes de la procédure analytique et en considérant, en première approche les erreurs comme étant indépendantes, on peut alors présenter les résultats sous forme synthétique à la Figure 6. L’ordre de grandeur proposé de 31% se rapproche de la proposition de [Ruban et al. 1993] qui proposait environ 25% d’erreurs sur la mesure des MES avec un ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

15

intervalle de confiance de 90%. En première hypothèse, les erreurs des polluants majoritairement sous forme particulaire (plus de 80%) comme la DCO ou la DBO5 présentent le même ordre de grandeur, erreurs variant bien sûr en fonction de la répartition particulaire/soluble.

Echantillonage

- matérialisation - intégration

Transport et conservation

×1%

×20%

Analyse

Pollutogramme

: ×20% : ×12%

Total (MES) 31% (erreurs indépendantes)

Figure 6 : Procédure analytique de détermination d’un pollutogramme et erreurs pour les MES, adapté d’après [Rossi 1998]. La Figure 7, propose un exemple d’analyse de différents polluants ou de rapport de polluants en fonction de trois types de réseaux d’assainissement synthétisé dans le tableau ci-après et les Figure 8 et Figure 9 deux exemples d’analyses conjointes de la pluie, du débit et de la pollution.

Classe de réseau Type 1 Type 2 Type 3

Nature des effluents Eaux pluviales avec ou sans écoulements de temps sec peu ou pas pollués Eaux pluviales contaminées par des eaux usées Effluents unitaires

1600

20

) l / 1200 g m ( S E 800 M n o i t a r 400 t n e c n o C 0

15

T1_MES

T2_MES

T3_MES

5 O B10 D / O C D t r 5 o p p a R0

T1DCODBO

T2DCODBO

T3DCODBO

Figure 7 : Exemple d’Analyse de la pollution, selon les différents types de réseaux.


16

) 0 h / m 4 m ( 8 é t i 12 s n e 16 t n I

) h 0 / m 2 m ( é 4 t i s n 6 e t n 8 I

20

500

Débit calculé Débit mesuré

400

70 60

Débit calculé

50

Débit mesuré

) s / l ( 40 s t i b 30 é D

) s / l300 ( s t i b é 200 D

20 100

10 0

0 0

50

100

150

200 250 Temps (mn)

300

350

0

400

90

180

270

360 450 Temps (mn)

540

630

720

540

630

720

540

630

720

2500

250 ) l / g 200 m (

) l / g 2000 m (

Horus mesures

S E 150 M n o i t a r100 t n e c n o 50 C

Horus mesures

S E 1500 M n o i t a r1000 t n e c n o 500 C

Anci en

Anci en

0

0 0

50

100

150

200 250 Temps (mn)

300

350

0

400

90

180

270

360 450 Temps (mn)

80

100 Mesures

Mesures 60

Horus

75

) s / g ( s e 50 M x u l F

Horus

) s / g ( S E 40 M x u l F

Anci en

Anci en

20

25

0

0 0

50

100

150

200 250 Temps (mn)

300

350

400

0

90

180

270

360 450 Temps (mn)

Figure 8 : Exemple d’Analyse Pluie-Débit- Figure 9 :Exemple d’Analyse Pluie-DébitPollution (pluvial), Brest. Pollution (unitaire), Entzheim

3.2.6 Synthèse des erreurs de mesures

Après avoir succinctement abordé les différentes mesures nécessaires à une modélisation de la pollution et particulièrement des MES, on reprend ici les différentes erreurs dont peuvent être entachées les mesures de pluie, débit et de MES (Figure 10). Comme on l’a précisé précédemment, les erreurs sont supposées indépendantes et le chiffre proposé de ±35% est calculé à partir d’un certain nombre d’hypothèses qu’il sera nécessaire de vérifier.


17

Mesure de la Pluie

±10%

Mesure des Débits

±10%

Mesure des MES

±31%

Total ±35% (erreurs indépendantes) Figure 10 : Synthèse des erreurs de mesures de la pluie aux MES


18

4. LES PRINCIPAUX PHENOMENES 4.1 Modélisation quantitative La modélisation quantitative comporte une partie hydrologique et une partie hydraulique . Cette étape est essentielle puisqu’elle permettra la modélisation qualitative et qu’il existe des interactions entre l’hydrologie et le lessivage des surfaces et entre l’hydraulique et le transport solide en collecteur. La Figure 11 propose les détails des fonctions de production et de transfert pour la partie quantitative. Pluie

Eau parvenant à la surface du sol

Interception par la végétation

Pluviométrie

Evaporation Evapotranspiration

Evaporation

Ruissellement vers des zones non drainées Stockage dans les dépressions du sol

Fonction de production Ruissellement en surface

Fonction de transfert

Ruissellement vers le réseau

Infiltration

Infiltration profonde

Ecoulement hypodermique

Eau arrivant au réseau

Figure 11 : Détails et interactions entre les fonctions de production et de transfert.

4.1.1 Transformation pluie brute-pluie nette

Avant ruissellement, la pluie mesurée, appelée pluie brute va subir un certain nombre de pertes. Ces pertes sont diverses : l’interception par la végétation (0.2 à 1.5 mm), le stockage dans les dépressions des surfaces artificielles (0.2 à 3 mm) ou naturelles (3 à 30 mm), ou encore par infiltration. Ces pertes représentent des phénomènes complexes, mal connus dans le détail et surtout inaccessibles. Les différentes pertes sont synthétisées en Figure 11, mais les trois modèles les plus simples mais assurant une représentativité satisfaisante [Jovanovic 1986] sont: ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

19

- une perte initiale constante en mm, - une perte continue constante pendant la durée de la pluie en mm/h, - une perte continue proportionnelle à l’intensité, pendant la durée de la pluie, en mm/mm. Concernant les pertes continues, la loi d’infiltration d’Horton s’écrit : f ( t ) = f c + (f 0 − f c )e − kt

f(t) : capacité d’infiltration f c : capacité d’infiltration du sol saturé de 3 à 200 mm/h f o: capacité d’infiltration maximum du sol (sol sec : f o = 4.f c) k : constante de temps positive => calé en laboratoire entre 0.05 et 0.1

4.1.2 Transformation pluie nette-ruissellement

Le ruissellement sur les surfaces imperméables est un phénomène qui peut être décrit par les lois de la mécanique des écoulements à surface libre en régime transitoire. La fonction de transfert va transformer le débit de pluie nette en débit à l’exutoire. Il s’agit là d’un opérateur conservatif (volume en entrée = volume en sortie). Son seul but est de représenter les transformations de la forme de l’onde de débit lors de son passage à travers le bassin versant. Le plus couramment utilisé pour des bassins versants urbains est le modèle à réservoir linéaire qui traduit l’hypothèse, qu’à un instant donné, il existe une relation de proportionnalité entre le volume d’eau S stocké dans une zone de collecte et le débit Q(t) qui est évacué à la sortie de celle-ci. Le modèle est donc établi à partir des deux équations suivantes : - une équation de stockage - une équation de continuité :

: S ( t ) = K . Q (t ) dS (t ) dt

+ Q( t ) = i ( t )

Après intégration et discrétisation au pas de temps ∆t, et i(N) l’intensité de la pluie supposée constante au pas de calcul N, nous pouvons écrire : Q ( N ) = Q( N

− 1).+ (1 − e− ∆t / K ). i( N )

Ce modèle est simple et ne comporte comme seul paramètre que le lag-time K. D’après l’équation de continuité, K est homogène à un temps et représente le décalage physique entre le centre de gravité du hyétogramme de pluie nette et celui de l’hydrogramme de ruissellement. La valeur du coefficient est déterminé selon les cas : - par la formule de Desbordes (1984) : K

= K1. Ar 0.18 . Pnt −0.36 . (1 + Im pr ) −1.9 . DP 0.21. Lng 0.15. Hpe−0.07

avec : K1

Equation 4-1

: paramètre de calage


20

DP Hpe

: durée de la pluie (mn) : hauteur de la pluie (mm)

- directement par l’utilisateur, - par calage automatique à l’aide d’une méthode d’optimisation numérique à variables multiples en minimisant une fonction objectif. Le tableau ci-après propose des éléments de choix des modèles de production et de transfert.

Bassin versant

Evénement pluvieux

B.V. urbain

Pluie moyenne ou forte (de 20 mm à 100 mm en quelques heures)

B.V. urbain

Bassin versant peu urbanisé

Modèle de pertes

Coefficient de ruissellement constant et égal au coefficient d’imperméabilisation Pertes initiales et Pluie faible à moyenne (de 2 mm à 20 mm en coefficient de quelques heures) ruissellement Pluie faible à forte (de Pertes initiales et 5 mm à 100 mm en infiltrations (modèle de quelques heures) Horton)

Modèle de ruissellement Modèle du réservoir linéaire

Modèle du réservoir linéaire Modèle de Nash

4.1.3 Hydraulique

Le ruissellement des surfaces imperméables, les eaux usées et autres apports, sont alors localement injectés dans le réseau d’assainissement et s’y propagent de manières très diverses. Le réseau est alors constitués de collecteurs de différentes caractéristiques et d’un certain nombre de singularités comme des déversoirs d’orage, des regards de visite.., singularités dont le fonctionnement hydraulique est parfois « mal » connu. 4.1.3.1 Propagation des Hydrogrammes :Le modèle classique de Muskingum

La propagation des débits dans les collecteurs est modélisée par la méthode dite de MuskingumCunge (hydraulique simplifiée par rapport à la résolution complète des équations de Barré de Saint Venant). En effet, ce modèle ne tient pas compte des influences aval mais, selon [Semsar 1995] , « dans de nombreux cas, des modèles utilisant des formulations simples de type Muskingum, peuvent conduire à des résultats quasi similaires à ceux du modèle de Barré de Saint Venant. Plus le modèle est sophistiqué, plus il est consommateur de temps de calcul et nécessite un ajustement difficile de ses paramètres de calcul ». Les équations régissant le modèle de Muskingum (conceptuel) sont :

⎧ dVS ( t ) = Q e (t) − Q S (t) ⎪ dt ⎨ ⎪⎩VS ( t ) = K [α Q e ( t ) + (1 - α) Q S ( t )]

loi de conservation des débits équation de stockage


21

4.1.3.2 Propagation des Hydrogrammes Le modèle de Barrée de Saint Venant

Les équations régissant le modèle de Barré de Saint Venant (déterministe) sont :

⎧U ∂S + S ∂U + ∂S = q équation de continuité l ⎪⎪ ∂x ∂x ∂t ⎨ ⎪ ∂U + αU ∂U + g ∂h = g(J f − J e ) + (ε -1)q l U équation dynamique ⎪⎩ ∂t ∂x ∂x S 4.1.3.3 Singularités hydrauliques

Un réseau d’assainissement peut contenir de nombreux ouvrages spécifiques, qu’il est difficile de détailler ici et seuls les déversoirs et bassins d’orage seront brièvement abordé ici. Les déversoirs d’orage sont les véritables « soupapes de sécurité » du réseau d’assainissement et donc des vecteurs privilégiés de la pollution vers des milieux naturels. Il existe de nombreux types de déversoirs et ceci tant au niveau de leurs géométrie que de leur fonctionnement. Si on ne dispose pas aujourd’hui de modèles mathématiques performants pour chacun d’entre eux, un outil nommé CalDO (Engees/Ar) sera disponible en 2003 pour l’ensemble des déversoirs de type latéraux. Le principe de fonctionnement est présenté schématiquement à la Figure 12.

DEVERSOIR D’ORAGE Amont

Aval OUVRAGE DE DERIVATION Déversement

Figure 12: Schéma de principe d’un déversoir d’orage.

Les bassins d’orage remplissent le double rôle de limitateur des risques d’inondations en offrant au réseau une capacité de stockage supplémentaire et de limitateur de rejets polluants au milieu naturel. Ces ouvrages comportent différents modes de fonctionnement et peuvent être associés à des déversoirs d’orage. Il est donc possible de les représenter (voir Figure 13) par un système global comprenant des déversoirs, un bassin et des organes de contrôle.


22

Amont

Déversoir controlé

Aval

DO

Vanne DO

Bassin

Vanne Vers milieu naturel Figure 14: Schéma de principe d’un système global de bassin d’orage.

4.2 Modélisation qualitative La Figure 15 propose en détail les fonctions de production et de transfert pour la partie qualitative. Temps de pluie

Temps sec

Sol et toiture

Pollution résiduelle en surface après le dernier événement pluvieux

Transformation pluie-débit

Atmosphère

Accumulation de la pollution en surface surface en temps sec

Lessivage Ensemble de la pollution en surface avant l’événement pluvieux

Eaux usées

Arrachement

Entrée de la pollution dans le réseau réseau par les avaloirs avaloirs

Transport en surface

Fonction de production

Charriage Ecoulement dans le réseau

Erosion Remise en suspension

Suspension

Fonction de transfert

Sédimentation

Milieu naturel

STEP

Figure 15 : Vue schématique des principaux phénomènes pour la modélisation qualitative


23

4.2.1 Les fonctions de production production en surface surface de bassin versant versant

Classiquement, il existe trois manière de traduire une fonction de production de la pollution :

•

on utilise un modèle dans lequel les concentrations des eaux usées et pluviales en entrée de réseau sont constantes,

•

on utilise un modèle dans lequel les concentrations sont constantes pendant une pluie mais étant variables d’un événement pluvieux à l’autre. Dans ce cas, différents modèles existent et le modèle dit de « Cèdre », se traduit par C = K .Dts a .Ht b .I cmax avec

-

C Dts Ht Imax K, a, b, c

: : : : :

concentration recherchée (mg/l) ; durée de temps sec (j) ; Hauteur totale précipitée (mm) ; intensité maximum (mm/h) ; coefficients numériques à caler.

•

on utilise des modèles dans lequel les concentrations sont variables pendant une pluie et d’un événement pluvieux à l’autre, on distingue généralement , l’accumulation, le lessivage et le transport.

¾

Accumulation sur les surfaces urbaines : Différentes formulations existent dans la littérature, mais le modèle d’accumulation asymptotique proposé par [Alley 1981] semble faire l’unanimité pour ce qui est d’une utilisation opérationnelle (même ci certains auteurs la remettent en question). L’équation classiquement utilisée est celle du SWMM qui se traduit par :

Mo

= Mro. Exp( − Disp. DTS) +

Accu Disp

⋅ (1 − Exp(− Disp. DTS))

avec : - Mo la masse présente au sol au début de la pluie après une période de temps sec (DTS), - Mro la masse résiduelle de dépôts à la fin de la pluie précédente, - Disp un coefficient de disparition, - Et Accu un coefficient d’accumulation ¾

Lessivage des surfaces urbaines : L’algorithme initialement proposé par le SWMM [Jewell-Adrian 1978] est utilisé dans la majorité des modèles numériques ou logiciels actuels. L'érosion des particules est donc décrite par l'équation proposée par [Jewell et Adrian 1978, Alley 1981] et reprise dans FLUPOL [Bujon 1988, Bujon et Herremans 1990]. Cette équation traduit la proportionnalité de la masse disponible à l'intensité de la pluie et s’exprime : dMa( t ) = − Ka. Ma( t ) avec Ka = b1.i (t ) b 2 + b 3. i( t ) b 4 dt

Mo

= Mro. Exp( − Disp. DTS) +

Accu Disp

⋅ (1 − Exp(− Disp. DTS))


24

avec : - Ma la Masse déposée à l'instant t, donc calculée lors de l’accumulation - i(t) l'intensité de pluie nette de la pluie - et b1, b2, b3 et b4 des paramètres de calage ¾

Propagation des polluants par le ruissellement : Pour la propagation des particules en surface, on utilise classiquement [Bujon 1988, Bertrand-Krajewski 1991] un modèle de réservoir linéaire en considérant qu'il existe une relation de proportionnalité entre la masse présente au temps t et le flux au temps t. Concernant Concernant la réaction de ce réservoir (à partir du lag-time), [Brombach 1984] estime, en s'appuyant sur des résultats expérimentaux, que la célérité des ondes qui transportent les particules est de l'ordre de deux fois plus élevée que la vitesse de déplacement de l'eau.

De nombreux essais montrent, que l'évaluation de ce lag-time comme fraction de celui utilisé pour le ruissellement [Desbordes 1984] permet une amélioration notable des résultats. 4.2.2 Les fonctions de transfert transfert en réseau 4.2.2.1 Comportement des particules solides

Le comportement des particules à l'intérieur du réseau d'assainissement dépend de leurs caractéristiques physiques. Les caractéristiques de ces particules, essentiellement minérales peuvent peuvent être décrites décrites par par leur diamètre, diamètre, leur densité ou encore encore leur vitesse de de chute. Devant l'extrême variabilité des solides en réseaux d'assainissement et leur large classes de caractéristiques physiques, les différents logiciels de simulations de la pollution ont pris des options différentes : Mosqito avait la possibilité de distinguer 9 classes de particules différentes et propose - Mosqito d'en utiliser trois dont une correspondant aux eaux usées, et deux aux eaux de temps de pluie, Mousetrap propose l'utilisation de trois classes de particules caractéristiques des solides - Mousetrap provenant provenant de la surface, surface, des particules particules en suspensi suspension on et des dépôts dépôts en collecteur, collecteur, Hypocras utilise 2 classes granulométries, correspondant aux eaux usées et aux eaux de - Hypocras temps de pluie, - Infoworks Infoworks CS peut traiter neuf classes de particules différentes et en utilise deux dans sa version actuelle, - Canoe peut traiter plusieurs classes de particules différentes - Flupol distingue deux types de particules, celle des eaux usées et celle des eaux pluviales. pluviales. 4.2.2.2 Concernant le transport "solide"

Le transport (total) de sédiments par l'eau est l'ensemble du transport (de particules) solide qui passe dans une section du collecteur collecteur d'assainissement. d'assainissement. On classe habituellemen habituellementt (un peu de manière artificielle) le transport de sédiments en différents modes correspondant à des mécanismes physiques de base relativement distincts:


25

- transport par charriage : caractérise les particules se déplaçant en glissant ou roulant ou en faisant des petits bonds sur le fond, - transport en suspension : caractérise les particules déplaçant par bonds (relativement longs) et restant entourées d'eau, - transport en suspension intrinsèque ou transport en solution: caractérise les particules emportées par l'écoulement et ne se déposant jamais; On appelle transport solide total le débit solide transporté par charriage et par suspension (on peut éventuellement, selon les auteurs y ajouter le transport en suspension intrinsèque). On présente ci-dessous le schéma des différents modes de transport:

Figure 16: Les différents modes de transport solide D’une manière générale, la plupart des logiciels du « commerce » (Mousetrap propose la distinction des différents modes de transport), contiennent des algorithmes ayant trait au transport total des particules. De nombreux modèles existent mais seuls deux d’entre eux seront présentés ici : celui de Velikanov car étant de type énergétique et qui favorise la compréhension de la notion de capacité de transport du liquide et celui d’Ackers-White car étant basé sur des considération physique et le plus couramment utilisé dans les modèles. Le modèle de Velikanov L'équation énergétique de Velikanov permet de calculer la capacité de transport des matériaux en suspension pour un écoulement dont les caractéristiques hydrauliques sont connues. Cette équation, de type conceptuel, est basée sur la puissance gravitaire de l'écoulement nécessaire pour vaincre la résistance de l'écoulement et celle nécessaire au maintient des particules en suspension. Pour un type de particules elle s'écrit : CT = η .

avec : CT

η s

ρe Um

ωs J

s. ρ e U m . . J s − 1 ω s

: : : : : : :

3

Capacité de transport (kg/m ) Coefficient de rendement Densité relative des particules par rapport à l'eau 3 Masse volumique de l'eau (kg/m ) Vitesse moyenne de l'écoulement (m/s) Vitesse de chute des particules (m/s) Pente de la ligne d’énergie (m/m)


26

En fait, pour des conditions hydrauliques données, la concentration des matériaux transportables n'est pas unique et se situe dans une plage limitée par deux courbes correspondant respectivement à la concentration maximale et minimale pouvant être transportée. On traduit cette plage par les équations suivantes : SEDIMENTATION CT Max

CT min i

= η 1.

s. ρ e U m . . J s − 1 ω s

CT max i = η 2.

CT Min

CT

s. ρ e U m . . J s − 1 ω s

TRANSPORT EROSION

Caractéristiques Hydrauliques

avec : CTmini CTmaxi η1 η2

: : : :

3

Capacité de transport critique de d’érosion (kg/m ) 3 Capacité de transport critique de sédimentation (kg/m ) Coefficient de rendement critique d’érosion Coefficient de rendement critique de sédimentation

Si C est la concentration en MES, on définit les trois régimes de fonctionnement suivants : - si CCTmaxi, il y a sédimentation jusqu'à ce que C=CTmaxi. Le modèle d’Ackers-White Le modèle le plus couramment utilisé est celui d'ACKERS-WHITE (1973, 1980, 1991, 1994), basé sur des considérations de nombres adimensionnels en reliant le transport des particules au rapport contrainte de cisaillement/poids immergé des particules, ayant été utilisé dans MOSQITO, HYDROWORKS DM et MOUSETRAP, adapté aux conduites circulaires et faisant l'objet de multiples vérifications expérimentales (May 1995). Ses trois principales équations sont :

⎡ Fgr = .⎢ g. d 35 .( s − 1) ⎣ u*

n aw

⎛ Fgr ⎞ G gr = C aw . ⎜ − 1⎟ ⎝ Aaw ⎠

⎤ ⎥ 32 .log(12. R h / d 35 ) ⎦ U

1− n aw

m aw


27

qt

U⎞ = G gr . s. d 35. . ⎛ ⎜⎝ * ⎠⎟ R h u 1

n aw

⎛ 10. d 35. R h ⎞ ⎟ ⎝ Sm ⎠

.⎜

avec : Fgr Ggr Qt u* U Rh S d 35 naw, Aaw, maw et Caw

: : : : : : : : :

nombre adimensionnel de mobilisation des particules nombre adimensionnel de débit solide débit solide vitesse critique vitesse moyenne de l'écoulement rayon hydraulique densité de particules diamètre des particules (35% de la masse passante) coefficients d'Ackers-White

4.2.2.3 Concernant le transport en solution

Le transport en solution traite le déplacement des particules en suspension au sein du liquide (ou les particules très fines au sein du liquide qui ne se déposent jamais). On assimile le comportement de ce type de particule à celui d'une substance dissoute caractérisée par sa concentration et donc modélisée à partir soit de l'équation classique de convection diffusion ou d’une simplificiation :

∂ ∂ ∂ ⎛ ∂c ⎞ ( A . c) + ( U. A. c) = ⎜⎝ K x . A. ⎠⎟ ∂t ∂x ∂x ∂x A T X K x U

: : : : :

Section d'écoulement Temps Distance Coefficient de dispersion longitudinal Vitesse moyenne de l'écoulement

4.2.2.4 Les réactions dans les collecteurs

Concernant la modélisation des réactions "physico-chimiques" dans les collecteurs, les formulations utilisées pourraient être celle testées en rivières ou en station d’épuration. De tels algorithmes, complets ou simplifiés sont déjà intégrés dans certains logiciels (Mousetrap par Exemple), mais ne sont pas encore utilisés de manière opérationnelle.


28

4.2.3 A titre d’Information A titre d’informations, une étude sur la comparaison des différents algorithmes de modélisation de la pollution a été réalisée en 1999 pour le compte de l’Agence de l’Eau Seine Normandie et une partie des conclusions ont été les suivantes : - concernant le lessivage, le modèle initialement proposé par le SWMM fournit des résultats satisfaisants, et une combinaison de modèles accroît la qualité de ses résultats. Les modèles conceptuels semblent donc tout à fait adaptés pour un outil de simulation de la pollution et présentent l’avantage d’être perfectionnés. Concernant les polluants majoritairement sous forme particulaire, un coefficient d’attachement aux MES permet l’obtention de résultats satisfaisants mais restent perfectibles, - concernant le transport solide, les modèles déterministes apparaissent comme extrêmement sensibles dans le cas d’érosion de dépôts en collecteurs. Pour un outil de simulation, il semble donc qu’il faille leur préférer les modèles de type conceptuels, comme Velikanov ou Wiuff. Le premier pouvant fournir des résultats très intéressants mais nécessitant un calage de deux paramètres, le second fournissant des résultats satisfaisants avec une valeur de paramètre fournie dans la littérature.


29

5. SCHEMATISATION, CALAGE, VALIDATION ET EXPLOITATION 5.1 Schématisation préalable D’un point de vue général, la mise en œuvre d’un modèle suppose une schématisation préalable du réseau et le découpage de la zone d’étude en bassins versants d’apport de caractéristiques homogènes, puis de la traduction de cette schématisation sous forme de fichiers pour l’outil de modélisation retenu.

La schématisation doit être réalisée en fonction des objectifs de la modélisation, des données disponibles et bien sûr des limites de chaque algorithme. Cette schématisation est obtenue en ne retenant que les collecteurs principaux. Ces collecteurs sont eux-mêmes divisés en tronçons de caractéristiques homogènes (section, pente, ...), en tenant compte de surcroît d’un certain nombre de points singuliers du réseau (confluences, déversoirs, défluence, injection, raccordement d’une zone de collecte, ...). Pour chacun de ces points ainsi définis, le modélisateur déterminera la zone de collecte associée et vérifiera que cette zone présente des caractéristiques homogènes (imperméabilisation, occupation du sol, pente, ...). Si ce n’est pas le cas, on procède alors à une subdivision en autant de zones homogènes que nécessaire. Ainsi, le bassin versant et son réseau associé sont schématisés par une succession de points, qui peuvent être ou non alimentés par un bassin versant ou une injection, et des tronçons de collecteurs. Même si l’étude ne porte que sur l’hydraulique, le modélisateur effectuera cette schématisation du réseau et du bassin versant selon des critères quantitatifs (hydraulique) et qualitatifs (pollution). Concrètement, cela revient principalement pour le Modélisateur à prendre en compte, dans le découpage de la zone d’étude en bassins versants homogènes, non seulement le coefficient d’imperméabilisation (paramètre hydraulique), mais aussi le type d’occupation de sol (paramètre influant sur la pollution produite). Cette schématisation est un élément essentiel du travail de modélisation du réseau d’assainissement. En effet, les caractéristiques des différents éléments de cette schématisation représentent les principales données d’entrée indispensables à la construction d’un modèle.

Ainsi, cette étape elle prépondérante et le schéma réalisé devra être obligatoirement présenté (sous forme de synoptique), détaillé et accompagné de la méthodologie adoptée pour sa mise au point. En outre, elle servira également pour le choix des points de mesures. Un exemple de deux schématisations (description fine ou globale) du réseau d’Entzheim (67) est proposée a titre d’exemple ci-dessous. ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

30

BV9 BV11

BV8

BV12

BV14

Exutoire

BV1

BV6 BV5

BV10

Exutoire

BV13 BV1

BV7

BV2

BV3

BV4

Description Fine 14 BV et 14 Collecteurs

Description Globale 1 BV et 1 Collecteur

Figure 17 : Exemples de schématisation du réseau d’Entzheim

5.2 Critères de comparaison L’enchaînement calage puis validation met donc en lumière l'importance d'une campagne de mesures préalable lors de la modélisation d'un bassin versant urbain. En effet, il reste indispensable que l’élaboration d’un modèle soit une interaction entre expérience et théorie. Pour cela, il faut donc disposer de critères de comparaisons pour juger si une phase est correctement réalisée avant de passer à la suivante. Pour établir ce jugement, deux approches peuvent être utilisées : - L’approche qualitative est la méthode la plus aisée et certainement la plus directe pour évaluer les performances d’un modèle. Elle consiste à représenter graphiquement les valeurs simulées et mesurées et à juger de la qualité de l’ajustement. Cette méthode est bien souvent la seule présentée et est bien entendue "subjective" puisqu’elle dépend fortement de l’observateur. Pour la partie hydraulique, elle comprendra obligatoirement les hydrogrammes simulés et mesurés aux points stratégiques du réseau. - L’approche quantitative est une méthode d’évaluation statistique de la qualité d’un modèle, indépendamment du jugement "subjectif" de l’observateur. Cette approche comporte des avantages et des inconvénients et à ce titre, elle doit être menée en parallèle de l’étude qualitative. Bien qu’il existe de nombreux critères statistiques pour comparer deux séries de points et ainsi fournir des éléments sur la crédibilité d’un modèle, l’évaluation quantitative des résultats en hydraulique comprendra au minimum l’erreur entre le volume simulé et mesuré et l’erreur entre les débits maximum simulés et mesurés aux points stratégiques du réseau. Les tableaux proposés ci-après détaillent certains de ces critères et la Figure 18 propose une représentation des résultats sous forme de graphique (Semsar 1995).


31

Type de fonction Ecart sur le Débit de pointe Q pm : débit de pointe mesuré Q pc : débit de pointe calculé

Ecart sur le Temps de pointe T pm : temps de pointe mesuré T pc : temps de pointe calculé

Ecart sur le volume Vm : volume mesuré Vc : volume calculé

Expression ED1

=

ET1

= T pm − T pc

EV1

=

Q pm − Q pc

∑Q

(i) −

i

Ecart Quadratique Total Qm(i) : débit mesuré à l’instant i Qc(i) : débit calculé à l’instant i

m

∑ Q (i) c

i

∑ (Q (i) − Q ∑ Q (i) ∑ (Q (i) − Q ∑ Q (i) c

EQT =

m

(i ) )

m

(i) )

ED 2

= (Q pm − Q pc )2

ET2

= (T pm − T pc )2

EV2

⎛ ⎞ = ⎜ ∑ Q m (i) − ∑ Qc (i) ⎟ i ⎝ i ⎠

2

2

i

m

i

Ecart Quadratique Partiel

c

EQP =

2

pour Q m (i) > Qseuil

i

m

i

Ecart Quadratique Normé

⎛ Q (i) − Q m (i) ⎞ ⎟⎟ EQN = ∑ ⎜⎜ c Q m (i ) i ⎝ ⎠

Ecart Quadratique Pondéré

∑ (Q

EQTP =

2

(i) ) (Q c (i) − Q m (i) ) 2

m

i

∑ (Q

2

(i) )

2

m

i

∑ (Q (i) − Q Nash = 1 − ∑ (Q (i) − Q

Nash

c

(i) )

2

m

i

c

m. moyen

))

2

i

Type de comparaison Ecart quadratique normé Ecart quadratique total, Pondéré, partiel Nash

Effet l’écart accorde le même poids à toutes les valeurs de débits l’écart accorde plus de poids aux forts débits l’écart accorde plus de poids aux débits moyens


32

EQT

EQT3

EQT2

Mauvais Acceptable Bon

EQT1 Excellent ET1 ET2

ET3

ET

Figure 18 : Exemple de « qualité » d’un modèle à l’aide de l’EQT

5.3 Le calage Après la construction du modèle mathématique, la phase de calage est une phase essentielle pour toute étude de modélisation. Le calage est à réaliser pour le temps sec et le temps pluvieux. Il utilise donc les données événementielles abordées à l’étape précédente. Le calage est réalisé en hydraulique, puis en pollution et pour chacune des phases en temps sec puis en temps de pluie. La mise au point de la partie pollution se fera en premier lieu pour les MES (particulaire), puis pour le NH4 (soluble), puis pour les autres polluants. Les premières simulations sont réalisées pour le temps sec en tenant compte des périodes saisonnières pour intégrer l’influence des eaux de nappe et de l’activité sociale. Concernant le temps de pluie, les simulations sont réalisées avec un ou plusieurs événements selon les données dont on dispose . Un événement pluvieux représentatif représente cependant un minimum (on le nommera ici P1). Si des données plus nombreuses sont disponibles, l’idéal est de choisir des pluies de caractéristiques différentes (intensité maximale, durée, fréquence,…) et induisant un comportement différent du réseau (déversement, mise en charge,…). Les résultats des simulations, par comparaison aux mesures, permettent de vérifier les hypothèses de travail et éventuellement de modifier certains paramètres utilisés dans la construction du modèle. En effet, des résultats aberrants ou demandant des paramètres de construction invraisemblables sont autant d'indices d'un mauvais choix d'hypothèses ou d'erreurs de modélisation. C’est en fait la qualité des résultats du calage, alliée à la cohérence des paramètres calés, qui permettront de passer à la phase de validation. Il est difficile de décrire de manière exhaustive tous les paramètres de calage possibles.


33

On peut cependant citer, par ordre d’apparition des phénomènes, les paramètres les plus importants (liste non exhaustive), sur lesquels un travail précis doit permettre le calage :

POUR l’HYDRAULIQUE ♦ PLUIE - la neutralisation de la pluie, qui correspond à la partie de la pluie ne participant pas au ruissellement ; - le coefficient de ruissellement, qui correspond à la partie de la surface active participant au ruissellement ; ♦ RESEAU - la rugosité des collecteurs ; - les coefficients de débit des ouvrages spéciaux. POUR LA POLLUTION (cas d’utilisation des algorithmes d’accumulation et lessivage en surface et transport solide en réseau) - les paramètres d’accumulation en fonction de l’occupation des sols, - les caractéristiques des particules A ce titre, les Figure 19 à Figure 24 proposent des graphiques pour juger de l’influence de différents paramètres qui seront ajusté lors d’une phase de calage traditionelle. Inluence de la Neutralisation sur les Débits Etude de Massy, plui e du 06/06/91 100 0 mm

90 80

0,5 mm

70 1 mm

) s 60 / l ( s t i 50 b é D 40

1,5 mm 2 mm

30 2,5 mm

20 10

3 mm

0 0

30

60

90

120

150

180

Temps (mn)

Figure 19 : Influence des pertes initiales au ruissellement sur les débits


34

Influence de la Surface Imperméable sur les Débits Etude d e Massy, plui e du 06/06/91 120 0.8 AR 100 0.9 AR 80

) s / l ( s t i 60 b é D

AR

40

1.1 AR

20 1.2 AR 0 0

30

60

90

120

150

180

Temps (mn)

Figure 20 : Influence du coefficient de ruissellement sur les débits

Influence de la Rugosit é sur les Débits Etude de Massy, plui e du 06/06/91 100 Rug=45

90 80 70

Rug=50

) 60 s / l ( t i 50 b é D 40

Rug=60

30 20 Rug=70

10 0 27

57

87

117

147

177

Temps (mn)

Figure 21 : Influence de la rugosité sur la propagation des débits


35

Influenc e de la Durée de Temps Sec sur les Flux de MES Etude d e Massy, plui e du 06/06/91 80

Dts=0 j

70

Dts=1 j

60

Dts=2 j

) s / g 50 ( S E40 M x u 30 l F

Dts=5 j Dts=10 j Dts=20 j

20

Dts=40 j

10

Dts=100 j

0 0

30

60

90

120

150

180

Temps (mn)

Figure 22 : Influence de la durée de temps sec sur les flux en MES Influence des Dépots- Phénomène d'Erosion - su r le flu x en MES Etude d e Massy, Pluie d u 06/06/91 350 Dépôt sur un Tronço n EROSION

300

Masse=0 kg

Masse=400 kg

) 250 s / g ( S200 E M n 150 e x u l F 100

Masse=500 kg

Masse=750 kg

50 Masse=1000 kg 0 0

30

60

90

120

150

Temps (mn)

Figure 23 Influence de l’érosion sur les flux en MES


36

Figure 24: Influence de la sédimentation sur les flux en MES

A l’issue de cette étape, le Modélisateur devra fournir : - les hypothèses et conditions initiales retenues pour les simulations en phase de calage (coefficient de ruissellement…) ; - la localisation sur plan des sites de mesures ainsi que leur justification, le type d’appareils utilisés et le protocole selon lequel les mesures ont été réalisées ; - les graphiques des hydrogrammes et pollutogrammes simulés et mesurés aux points stratégiques du réseau ; - un tableau indiquant au minimum, un bilan du calage pour les simulations et les mesures : volumes, masses, débits et concentrations (ou flux) de pointe, ainsi que les erreurs sur le volume, la masse, les débits et concentrations (ou flux) maximums, et ceci aux points stratégiques du réseau ; - la justification et les explications des problèmes rencontrés ;

5.4 La validation Après le calage du modèle, la phase de validation est également une phase indispensable à toute étude de modélisation. Comme pour le calage, la validation est réalisée pour le temps sec (si l’on dispose de plus d’une campagne de mesures de temps sec), mais surtout pour le temps pluvieux, et utilise donc également les données événementielles. La phase de validation consiste, à partir des paramètres calés et figés, à contrôler que les réponses du modèle sont identiques à celles observées pour au moins deux événements ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

37

pluvieux différents de celui utilisé lors du calage (nommés ici P2 et P3). Si tel n’était pas le cas (particularité d’une précipitation, problème de mesures…), il faudra, en fonction des cas : - Choisir une autre pluie de calage si aucune pluie de validation ne permet de confirmer le calage et, ensuite, assurer une nouvelle validation. Après analyse, il faudra justifier les problèmes rencontrés. - Choisir une autre pluie de validation, si l’une des pluies de validation ne confirmait pas le calage et d’autres simulations en validation. De même que précédemment, il conviendra d’expliquer les difficultés rencontrées. Si des données plus nombreuses sont disponibles, l’idéal est d’appliquer la même méthode que précédement.

Si le calage a été correctement effectué, les résultats doivent être de bonne qualité sans que l'on ait besoin de corriger les paramètres du modèle. Toutefois, les pluies présentant le plus souvent des caractéristiques non homogènes, certaines distorsions entre résultats et mesures, si elles restent limitées, peuvent subsister sans remettre le modèle en cause. Comme lors de la phase de calage, c’est la qualité des résultats en phase de validation qui permettra de passer à la phase d’exploitation du modèle. La validation peut être menée en différentes phases, traditionnellement on cite : -

-

une validation événementielle (échelle de la pluie isolée) : voir exemple proposé en Figure 25 et Figure 26 pour l’approche qualitative et Figure 29 à Figure 32 pour l’approche qualitative, une validation sur des chroniques de pluies (échelle de quelques jours à un mois environ) voir exemple proposé en Figure 27, une validation sur des longues durées (d’une à plusieurs années) : voir exemple proposé en Figure 28


38

) h / m m ( é t i s n e t n I

300

0

20 30 40 500 D é b i t c a l c u lé 400

) s / l ( s t i b é D

D ébit me suré

300 200 100

0 0

15

30

45 60 T e m p s (m n )

75

90

140

270

110

750

410

540

680

810

950

1100

810

950

1100

810

950

1100

Temps (mn) 300

Horus 500

m e s u re s

250

0 0

15

30

45 60 T e m p s (m n )

75

90

110

250 200 ) s / g ( S E M x u l F

mesures

0

0

) l / g m ( S E M n o i t a r t n e c n o C

Horus

) l / g m ( S 200 E M n o i t a r t n 100 e c n o C

10

) l / g 250 m ( O 200 C D n 150 o i t a r t n 100 e c n o 50 C

Horus mesures

0

M e s u re s Horus

0

150

140

270

410

540

680

Temps (mn)

100

25

50 0 0

15

30

45

60

75

90

110

T e m p s (m n )

Figure 25 : maurepas

exemple

de

validation

sur

) l / g m20 ( 5 O B 15 D n o i t 10 a r t n e c 5 n o C

mesures Horus

0 0

140

270

410

540

680

Temps (mn)

Figure 26 : maurepas

exemple

de

validation


sur

39

0 ) h / m 2 m ( é 4 t i s n e 6 t n I

Temps sec 24 heures

8 80

Débit calculé 60

) s / l ( s t i 40 b é D

20

0 0

60

120

180

240

1677 1737 Temps (mn)

1797

1857

250 Temps sec 24 heures

) l / g 200 m ( S E M 150 s n o i t a r 100 t n e c n 50 o C

Horus mesures

0 0

60

120

180

300

240 1677 Temps (mn)

1737

1797

Temps sec 24 heures

) l / g m (

1857

Horus mesures

O 200 C D s n o i t a r t n 100 e c n o C

0 0

60

120

180

240 1677 Temps (mn)

1737

1797

1857

Figure 27 :exemple de validation sur Massy sur une série chronologique


40

900000 800000 700000 600000 500000 400000 300000 200000 100000 0

mesuré (avril 98-avril 99) simulé (année synthétique)

) g K ( S E M

) g K ( O C D

) g K ( K T N

) g K ( 4 H N

Figure 28 : Validation annuelle sur Grand Couronne 300

100

) l 200 / g m ( s 100 e u l o 0 s b a s r -100 u e r r E-200

80 60 40 Sigma = 72.46 Moyenne = -8 N = 267.00

20 0 - 2 - 2 - 1 - 1 - 9 - 4 8 8 4 0 9 2 4 4 6 8

-300

4 1 2 2 8 9 6 1 4 4 9 2 4 0 8 8

Erreurs absolues (mg/l)

250

100

200

80

) 150 % ( 100 s e v 50 i t a l 0 e r s -50 r u e -100 r r E-150

60 40 Sigma = 59.97 Moyenne = 15 N = 267.00

20 0 -233 -167 -100 -33 33 100 167 233 -200 -133 -67 0 67 133 200

-200 -250

Erreurs relatives (%)

Figure 29 : Exemple de résultats de validation, Erreurs absolues et relatives. 400

300

300 ) l / g m200 ( s 100 e u l o 0 s b a -100 s r u e -200 r r E

) 200 % ( s 100 e v i t a 0 l e r s r u-100 e r r E -200

-300 -400

-300 0_50

50_100

100_150

150_200 200_MAX

0_50

50_100

100_150

150_200 200_MAX

Figure 30 : Exemple de résultats de validation, Erreurs absolues et relatives en fonction des concentrations ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

41

30 30

25

25 ) 20 % (

20

) % ( T15 Q E

S E M x 15 u l F T Q E10

10

5

5

0 0

5

10

15

20

25

30

EQT Concentrations MES (%)

0 EQTconc

EQTflux

Figure 31 : Exemple de résultats de validation, EQT 100

14

80

12

) 60 % ( 40 s e v 20 i t a l 0 e r s r -20 u e -40 r r E -60 -80 -100

10 8 6 4 Sigma = 25.89 Moyenne = 1 N = 31.00

2 0 -80 -60 -40 -20 0

20 40 60 80 100

Erreurs relatives (%)

Figure 32 : Exemple de résultats de validation sur les masses

5.5 En résumé Si l’on tente de résumer la démarche logique de la phase de calage et de validation, avec un jeu de données MINIMUM (pluie notée P1 pour le calage et P2 et P3 pour la validation) on pourrait obtenir le déroulement logique suivant (méthode à extrapoler selon le nombres de données disponibles) : 1) Calage par temps sec (par rapport à la campagne de mesures effectuées). 1bis) Eventuellement validation par temps sec (si plusieurs campagnes de mesures effectuées). 2) Calage par temps de pluie, avec P1. 3) Validation par temps de pluie, avec P2 : 3.1) si validation P2 correcte, validation finale avec P3, 3.2) si validation P2 non correcte, calage avec P2, puis validation avec P3 : 3.2.1)si validation P3 correcte, validation finale avec P1, ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

42

3.2.2)si validation P3 non correcte, calage avec P3, puis validation avec P1 : 3.2.2.1) si validation P1 correcte, validation finale avec P2, 3.2.2.2) si validation P1 non correcte, il faut alors rechercher les causes de l’échec dans une défaillance de la schématisation, des données d’entrée ou des mesures.

5.6 Exploitation des modèles calés et validés Le modèle construit est maintenant calé et validé par rapport aux mesures de terrain effectuées. Il est donc censé représenter la réalité de façon satisfaisante, avec désormais pour seul paramètre d’entrée la pluviographie. A partir de là, il faut définir des pluies de projet adaptées aux différents scénarios de simulations envisagés, qui permettent de répondre aux objectifs de l'étude. Traditionnellement, ces différents scénarios de simulations peuvent comprendre : - La localisation et la quantification des insuffisances du système existant. - La prise en compte d’aménagements prévus ou à prévoir sur le réseau (modification ou création de collecteurs, de postes de relèvement, de déversoirs d’orage, de bassins de stockage, …). - L’évolution des apports d’eaux usées ou d’eaux pluviales (évolution de l’urbanisation, raccordement de nouvelles zones, augmentation de la collecte, …). Par pluie de projet, on entend un événement pluvieux isolé, associé à la période de temps sec qui le précède, mais aussi une série d’événements pluvieux consécutifs, associée aux périodes de temps sec précédant chaque événement. Ces pluies de projet peuvent être des pluies synthétiques, que l’on fabrique à partir d’éléments théoriques ou statistiques, ou bien des pluies réelles mesurées sur la zone d’étude et pour lesquelles on a pu observer des dysfonctionnements sur le réseau. Le choix des pluies de projet va dépendre des objectifs de l’étude, mais on peut a priori distinguer trois groupes de pluies de projet : 1) Les pluies permettant de simuler le fonctionnement quantitatif global du réseau (hydraulique). 2) Les pluies permettant de simuler le fonctionnement quantitatif et qualitatif global du réseau (hydraulique et pollution). 3) Les pluies permettant de simuler le fonctionnement quantitatif (principalement) et/ou qualitatif de certains aspects particuliers : influences aval, dimensionnement ou vidange de bassins de stockage, fonctionnement de pompes ou de déversoirs d’orage, gestion en temps réel, …


43

5.6.1 Pluies du groupe 1

Dans le groupe 1, on trouvera classiquement des pluies de projet sous forme d’événements isolés, pour lesquels la période de temps sec précédente n’est pas foncièrement importante. Ces événements, dont les simulations permettront de définir les aménagements hydrauliques sur le réseau destinés à lutter contre les inondations et les mises en charge, peuvent être : -

Des pluies réelles historiques, pour lesquelles des dysfonctionnements hydrauliques ont été constatés (inondations, mises en charge, …),

-

Des pluies synthétiques de périodes de retour importantes, supérieures à 1 an. Le Modélisateur devra au moins prendre en compte une pluie de période de retour 10 ans. Les événements pluvieux réels provoquant des désordres dans les réseaux d’assainissement pluvial sont généralement constitués d’une période de pluie intense relativement courte située à l’intérieur d’une séquence de pluie de quelques heures. Néanmoins, aucune forme particulière de distribution temporelle des intensités n’est plus probable qu’une autre. Desbordes propose de choisir une forme particulière de pluie de projet en raisonnant, non plus par rapport au phénomène physique, mais par rapport aux éléments auxquels le modèle de ruissellement est le plus sensible. Cette analyse de sensibilité permet de montrer qu’une forme simple, double triangulaire, fournit des formes d’hydrogrammes et des valeurs de débit maximum peu sensibles à des erreurs sur le paramètre principal du modèle de transformation pluie-débit (réservoir linaire) : le Lag-time. Le modélisateur utilisera donc des pluies de type « triangle » plutôt pour les petis bassins versants et « double-triangle » pour les plus grands , dont la pointe est concomitante avec le temps de concentration moyen du bassin versant étudié. Ce type de pluies se construit facilement à partir de la loi de MONTANA et d’éléments prédéfinis pour une cinquantaine de stations météorologiques françaises. Néanmoins, il est important de se référer au cadre administratif et donc de responsabilité que représente les courbes IDF suggérées par l’Instruction Technique 77 et plus récemment dans le guide « LA VILLE ET SON ASSAINISSEMENT » du CERTU de juin 2003. Le texte proposé en annexe de ce cours reprend une partie rédigée dans le cadre de ce guide. Les paramètres de description des pluies de type sont : la durée totale, la durée de la période de pluie intense, la position de la pointe, l’intensité moyenne pendant la période de pluie intense => temps de concentration du B.V., et l’intensité moyenne en dehors de la pluie intense.


44

mm/h

HM1

t

T1

avec T1=Temps de concentration mm/h

HM1

HM2

t TP T1 T2

T1=0.5×Temps de concentration T2=5×Temps de concentration


Dans le groupe 2, on choisira des pluies ou des « classes » (issues d’une étude statistique) de pluies synthétiques isolées de périodes de retour faibles, comprises entre 1 mois et 1 an, mais avec des périodes de temps sec précédentes importantes, et dont les simulations permettront d’établir des bilans de volumes et charges de pollution déversés dans le milieu naturel ou transitant à l’aval du réseau étudié vers l’usine d’épuration. Ces bilans permettront eux-mêmes de définir les aménagements sur le réseau destinés à réduire ou supprimer les déversements vers le milieu naturel, mais aussi de définir les aménagements à prévoir au niveau de l’usine d’épuration (dimensionnements quantitatifs et qualitatifs). Le Modélisateur pourrait également simuler le fonctionnement du réseau et calculer des bilans volumes/charges pour une série pluviographique longue, du type « année historique » ou « année synthétique de pluie » qu’Anjou Recherche a mis au point en collaboration avec MétéoFrance. ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

45

Cette année synthétique, construite par des méthodes statistiques (classification des pluies) et de probabilité à partir de données locales dont dispose Météo-France, représente une année moyenne de pluie sur la zone d’étude. C’est une succession de pluies et de périodes de temps sec. Les bilans annuels fournis par sa simulation seraient particulièrement pertinents en termes de fonctionnement général du réseau, de dimensionnement d’usine d’épuration et de protection du milieu naturel (réglage des déversoirs d’orage, implantation et dimensionnement de bassins de stockage, …).


Pour ce groupe 3, le Modélisateur doit analyser les objectifs particuliers et prendre en compte des pluies ou séries de pluies synthétiques permettant de répondre à ces objectifs particuliers et donc veiller a respecter les limites autant du modèle que des formes de pluies utilisées. Par exemple, une étude récente, sur un cas certes particulier, montre qu’environ 30% des déversements annuels d’un bassin tampon en entrée de station d’épuration sont dus à des pluies successives d’une période de retour inférieure à la pluie de projet synthétique isolée synthétique qui a été utilisée pour le dimensionnement de ce bassin.


46

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50

7. ANNEXE 1: Extraits d’un texte rédigé par Henri Bouillon, dans le cadre du CERTU à propos des Courbes IDF (se référer au le guide « LA VILLE ET SON ASSAINISSEMENT » du CERTU de juin 2003 Les courbes Intensité-Durée-Fréquence (IDF) ou Hauteur-Durée-Fréquence (HDF) permettent d'associer une fréquence de dépassement F (ou une période de retour T = 1 / F) à une intensité moyenne I, ou a une hauteur H, observée sur une durée D. La période de retour T correspond à l'intervalle de temps moyen séparant deux événements dont l'intensité moyenne ou la hauteur atteint ou dépasse un seuil donné. La période de retour T est généralement exprimée en années. Jusqu'au début des années 1980, on s'est surtout intéressé aux événements rares, de périodes de retour égales ou supérieures à 10 ans, intéressants du point de vue de leur conséquences hydrauliques (inondations, débordements ou insuffisances des réseaux, etc.). La prise en compte des rejets polluants en temps de pluie a conduit depuis le milieu des années 1980 à s'intéresser de plus en plus aux événements de courtes périodes de retour, souvent inférieures à 1 an, susceptibles de porter préjudice au milieu naturel. 7.1.1.1 Principes de construction des relations IDF

Les courbes IDF ou HDF sont établies en utilisant une technique statistique simple, dite de classement fréquentiel, dont les principes sont rapidement décrits ci-après. En pratique, il existe plusieurs façons de conduire chacune des étapes, ce qui explique qu'avec une même série pluviométrique des auteurs différents peuvent trouver des résultats dissemblables. étape 1 : on considère un échantillon de N événements pluvieux mesurés pendant P années. Selon les méthodes utilisées, il peut s'agir des N événements les plus violents observés, des événements dépassant un seuil, de tous les événements, etc.. Pour simplifier les calculs, on prend souvent N = P, mais ceci n'est nullement indispensable. étape 2 : on choisit un pas d'observation de la pluie D , par exemple 15 minutes. Pour simplifier les calculs, il est préférable que D soit un multiple entier du pas de temps ∆t de discrétisation de la pluie (il faut bien évidemment que ∆t soit inférieur à D, ce qui montre à nouveau l'intérêt de travailler avec des pas de temps fins de l'ordre de 1 ou 2 minutes en hydrologie urbaine). Les pas d'observations généralement retenus sont 5mn ou 6mn, 15mn, 30mn ; 1h, 2h, 3h, etc.. étape 3 : pour chaque événement pluvieux, on cherche la période de durée D pendant laquelle l'intensité I ou la hauteur H est maximale. La encore, il existe différentes façons de procéder, selon que l'on utilise une origine des temps fixe ou mobile pour le début des pas d'analyse. Par exemple, si les pluies sont enregistrées avec un pas de temps de 5 minutes et que l'on fasse le calcul pour un pas d'analyse de 15 minutes, on peut considérer uniquement les périodes de temps 0-15 mn, 15mn-30mn, 30mn-45mn, etc. (dépouillement à origine des ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

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temps fixe) ou 0-15mn, 5mn-20mn, 10mn-25mn, etc. (dépouillement à origine variable). Voir la Figure 33.

i(mm/h)

i(mm/h)

40

40

30

30

20

20

10

10

15 30 45 60 75 100

t (mn)

15 30 45 60 75 100

t (mn)

Figure 33 : Différence entre dépouillement à origine fixe et dépouillement à origine variable

étape 4 : on dispose alors de N valeurs d'intensité ou de hauteur maximale sur la durée D que l'on range dans un ordre décroissant. étape 5 :on attribue aux N valeurs décroissantes les fréquences empiriques de dépassement F. La solution la plus simple consiste à considérer que la fréquence de l'événement de rang r est égal à r / N. Cependant, des considérations mathématiques sur la distribution statistique des événements conduisent généralement à utiliser des relations de la forme :

F=

r − α

équation 1

N + β

L'une des plus satisfaisantes est la relation de Bos-Levenbach qui suppose que la variable suit une loi exponentielle: F=

r − 0,3

équation 2

N + 0,4

les périodes de retour T correspondantes, en années, sont données par la relation : T

=

N + 0,4 P

⋅

r − 0,3 N

équation 3

étapes suivantes : on réitère les étapes 1 à 5 pour les autres durées D choisies. étape finale : la dernière étape consiste à reporter sur un graphe les valeurs d'intensité (ou de hauteur) obtenues pour les différentes valeurs de pas de dépouillement et correspondant à une même période de retour, puis à rechercher une relation mathématique permettant de lisser au mieux les points obtenus. Cette étape a pour but de permettre l'estimation d'une intensité ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

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correspondant à une période de retour donnée sur n'importe quelle durée. Différentes relations ont été proposées depuis 150 ans. Parmi les plus classiques, on peut citer : la formule de Montana (ne pas utiliser pour D < 5 minutes car I → ∞ lorsque D → 0) : I(D, F) = a ( F) ⋅ D b( F)

équation 4

la formule de Talbot : I(D, F) =

a ( F)

équation 5

D + b(F)

la formule à trois paramètres (Keifer et Chu, 1957) : I( D, F) =

a ( F)

équation 6

( D + b(F))c( F)

Dans ces trois relations, a, b et c sont des coefficients numériques dépendant de la fréquence F (ou de la période de retour T), du site de mesure et de la durée D des pluies (attention, les unités employées sont souvent différentes selon les auteurs). Un exemple de courbes IDF est donné par la Figure 34. L'incertitude sur les intensités correspondants à la période de retour 100 ans sont très grandes du fait de la faible longueur relative de la durée d'observation.

250 retour 100 ans retour 10 ans

200

retour 5 ans

Intensité mm/h

150 100 50 0 0

20

40

60

80

100

120

140

durée en mn

Figure 34 : Courbes Intensité-durée-fréquence de la station de Paris-Montsouris entre 1927 et 1978 pour les périodes de retour de 5, 10 et 100 ans. Ajustements par la formule de Talbot. 7.1.1.2 Critique et limite de la méthode des courbes IDF

Le problème principal associé à la méthode des courbes IDF est dû à la grande variabilité interannuelle des précipitations. Si l'on compare les résultats obtenus sur un même site pour deux ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

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périodes de temps consécutives de même durée, on obtient ainsi souvent des résultats très différents : une pluie décennale sur une durée particulière dans la première série peut très bien devenir annuelle dans la seconde.

De façon un peu empirique, on considère généralement que pour estimer avec une incertitude acceptable un événement de période de retour T, il faudrait disposer d'observations sur une durée de 5 à 7 fois la valeur de T exprimée en années (3 fois étant un minimum en dessous duquel il ne faudrait pas descendre). Cette condition impose des durées d'observation très longues dès lors que l'on s'intéresse à des périodes de retour un peu grande (30 ans minimum et 70 ans souhaitables pour estimer la pluie décennale). Il est en outre nécessaire que les conditions climatiques puissent être considérées comme stationnaires pendant la période de mesure (pas de changement climatique global ni local), de même que les conditions d'observation (pas de modification de l'appareil de mesure, de l'environnement de la station, du mode de suivi des appareils, du mode de dépouillement des données, etc.). Ces conditions sont également difficiles à remplir sur des durées importantes, surtout en milieu urbain, ou l'environnement change rapidement. Certaines de ces difficultés peuvent être surmontées en multipliant le nombre de points d'observation. En théorie, effectuer pendant 10 ans des mesures sur dix sites indépendants et climatiquement identiques est équivalent à faire des mesures en un seul point pendant 100 ans. En pratique, du fait de la taille des systèmes météorologiques associées aux précipitations, il est difficile de concilier indépendance des événements et homogénéité du climat. Cette approche permet cependant, moyennant certaines précautions, d'allonger artificiellement et de façon conséquente les durées d'observation. Enfin, une dernière difficulté est associée au traitement purement statistique des données. On mélange en effet des pluies d'origines météorologiques différentes, et donc de caractéristiques différentes. Les échantillons utilisés pour les statistiques ne sont donc pas homogènes. Pour utiliser une image simple, on va dans une ferme et on pèse indifféremment tous les animaux : cochons, poules, vaches et moutons, puis on fait des statistiques et on construit une relation permettant de prévoir la probabilité que dans cette ferme un animal dépasse un poids donné. Outre les difficultés d'ajustement de la relation dues au caractère non homogène de l'échantillon, cet ajustement ne permettra certainement pas de prévoir le poids du plus gros animal dans une autre ferme où il y aura des chevaux de trait. Malgré ces difficultés, la méthode des courbes IDF est cependant incontournable car c'est la seule qui permette d'associer un risque chiffré à l'aléa pluvieux. Elle est indispensable pour évaluer la période de retour associée à une pluie observée. Elle fournit les valeurs d'intensités nécessaires à la mise en œuvre de la méthode rationnelle ou de la méthode de Caquot. Enfin elle sert de base à la construction des pluies de projet les plus utilisées. Elle doit cependant être utilisée avec beaucoup de précautions pour éviter de tomber dans l'un des nombreux pièges que cache son apparente simplicité.


54

8. ANNEXE 2: La répartition de la pollution dans les eaux de pluie Depuis au moins une vingtaine d’années, de nombreuses personnes se sont intéressés à la répartition de la pollution dans les eaux de pluie. Cette répartition a donc est est toujours l’objet d’un débat, pouvant être d’ailleurs animé, sur les notions de premier flot d’orage, de first flush, de premier flot pluvial….. Classiquement, il existe trois façons de représenter les choses : 1) les hydrogrammes et pollutogrammes, et donc regarder, par exemple, si les concentration les plus importantes sont plutôt en début de pluie, et donc si les concentrations les plus faibles sont plutôt en fin de pluie, 2) les hydrogrammes et le débit massique (ou le flux en fonction du temps) et donc regarder, par exemple regarder si les valeurs maximales correspondent, 3) les courbes masse/volume, et donc regarder, par exemple, si la partie la plus importante de la masse est transitée dans la première partie du volume (voir illustration ci-dessous),

Le débat sur ces notions provient des différentes expériences françaises et internationales qui s’intéressait à l’une des représentations plutôt qu’à une autre. L’exemple classique est le suivant : -

on note une forte concentration de MES en début de pluie (d’ailleurs non concomitant avec la valeur extrême de débit) , puis des concentrations beaucoup plus faible : on peut alors parler d’une sorte de premier flot, qui pourrait correspondre à une érosion de dépôt,


55

2000

70 mesures

1800

Débit mesuré 60

1600

50

1400

1200 40 1000 30 800

600

20

400 10 200

0

0 1

10

19

28

37

46

55

64

73

82

91 100 109 118 127 136 145 154 163 172 181 190 199 208 217 226 235

- sur la même pluie, si on trace la courbe masse/volume, on note que 80% de la masse transite par 75% du volume, donc on peut alors parler d’une absence de premier flot !

Données d'Entzheim (7 pluies) 100%

3/5

80%

) 60% % ( t o t M / M 40%

V= 30 % et M = 80%

20%

V= 15 % et M = 30%

0% 0%

20%

40%

60%

80%

100%

V/Vtot (%)

Ainsi, il est véritablement impératif de ne pas utiliser des notions dont les hypothèses n’ont pas pu être vérifiés. Les phénomènes de pollution pouvant être très différents d’une pluie à l’autre, d’un réseau à l’autre, d’une saison à l’autre,…il est alors indispensable de mener un certain nombre de campagnes de mesure pour vérifier les hypothèses. ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

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9. ANNEXE 3 « Modélisation assainissement du bassin de Boudonville par le logiciel Hydroworks Dm TM » Cette étude à réalisée dans le cadre du projet LIFE96ENV/F/420. Texte rédigé par M. Zug dans le cadre du séminaire ENGEES / AGHTM, « La modélisation en assainissement, remise en cause des pratiques ? », le 24 janvier 2001 à Strasbourg.

9.1 Introduction La prise de conscience de la pollution véhiculée par les rejets urbains de temps de pluie est apparue il y a une trentaine d'années. Cette pollution peut cependant avoir un impact extrêmement nocif sur le milieu récepteur, par rapport aux rejets continus à faibles concentrations issus des stations de traitement des eaux usées. Cette prise de conscience s'est traduite dans les textes par la Directive Européenne de mai 1991 relative aux eaux résiduaires urbaines, suivie de la Loi sur l'Eau de 1992, qui rend obligatoire le traitement des eaux pluviales collectées, hors événements exceptionnels pour lesquels la priorité reste d'éviter les inondations. La plupart des agglomérations possèdent des bassins de retenue hydraulique des eaux pluviales. Ainsi, afin d'éviter des surcoûts trop importants, il semble judicieux d'essayer d'optimiser le fonctionnement de ces bassins pour qu'ils puissent remplir un rôle à la fois anti-inondation et anti-pollution . Il s'agit là de l'enjeu global du projet mené actuellement sur le réseau d'assainissement du bassin versant de Boudonville à Nancy. L'étude s'inscrit dans le cadre du programme européen LIFE 1996 de réduction de la pollution déversée par temps de pluie dans le milieu naturel par l'optimisation du fonctionnement du système d'assainissement. Il associe le Centre International de l'Eau de Nancy (NAN.C.I.E), la Communauté Urbaine du Grand Nancy (CUGN), le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) et Anjou Recherche - Vivendi Water.

9.2 Présentation du site et du bassin de Gentilly Le bassin versant de Boudonville se situe au nord-ouest de l'Agglomération nancéienne en rive gauche de la Meurthe. C'est un bassin versant de 620 ha drainant les eaux pluviales d'une partie des territoires des communes de Laxou et de Nancy et les rejets d'eaux usées d'environ 40 000 habitants. Les problèmes d'inondations à Nancy ont commencé dans les années 1960, avec l'urbanisation croissante (grands ensembles urbains, lotissements). De 1970 à 1972, plusieurs orages ont mis en évidence l'insuffisance des collecteurs d'évacuation des eaux pluviales, en particulier au centre ville. C'est pourquoi, dès 1970, le District Urbain de Nancy a proposé la construction de bassins de retenue hydraulique sur l'ensemble de l'agglomération afin de pallier ces problèmes d'inondations. ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

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Dans ce cadre, le bassin de rétention de Gentilly, constitué d’un unique compartiment et d’une 3 contenance d’environ 12 000 m a été construit. Dans le cadre du projet LIFE, celui-ci a été modifié et sa configuration actuelle comporte deux compartiments C1 et C2 (Figure 35), appelés respectivement B1 et B2. Trois vannes de vidange ont été placées à l'aval de chaque compartiment et une vanne de régulation adossée au mur aval de la chambre de vidange. 3

Le compartiment C1 (ou bassin B1), de volume utile (sous déversoir) 2 000 m environ, est utilisé pour les faibles pluies. En cas de fortes pluies, ce compartiment, une fois rempli, déverse 3 vers le compartiment C2 (bassin B2), de volume utile 8 900 m environ, soit un volume total approché de 10 900 m 3 sous déversoirs de sécurité (Figure 36). Chambre de vidange

muret

Collecteur Pompier φ 800 pente 34 %

Collecteur de vidange φ 1000 pente 4 %

Compartiment C2

electroslide

Collecteur Rhin φ 1200 pente 56 %

Collecteur Beauregard φ 1200 pente 5 % Compartiment C1

coudes Sens de l'écoulement Vannes

Figure 35 : Vue schématique du bassin de Gentilly ; configuration actuelle B1

B2 3

8900 m VEC1

VEC3

2,70 m

VEC2

VEC4

1,80 m

VES1

VES2

Figure 36 : Vue en coupe du bassin de Gentilly ; configuration actuelle.

Chaque compartiment est équipé à l'aval d'une sonde de hauteur d'eau, d'un turbidimètre et de trois vannes : -Vannes VEC (« vidange eaux claires ») : VEC1 et VEC2 sur B1, VEC3 et VEC4 sur B2. Ces vannes sont en position haute et permettent la vidange des tranches d'eaux supérieures ou intermédiaires. Elles sont à ouverture tout ou rien vers le bas, sauf la vanne VEC3 qui peut être ouverte à deux positions intermédiaires (1/3, 2/3) et joue ainsi un rôle de déversoir mobile. ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

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-Vannes VES (« vidange eaux sales ») : VES1 sur B1, VES2 sur B2. Elles permettent la vidange des tranches inférieures en fin de pluie. Elles sont à ouverture tout ou rien vers le haut. Les turbidimètres, fixés à des escaliers flottants, sont immergés à faible profondeur et suivent les niveaux des plans d'eau. Leurs mesures permettent de piloter les phases de vidange des effluents. La gestion du bassin de Gentilly est basée sur un automate local gérant l'ensemble des vannes selon deux modes différents : « anti-pollution » ou « anti-inondation ». Le basculement entre ces deux modes est décidé par un opérateur depuis le PC informatique de la CUGN après prise en compte des alertes générées automatiquement par un logiciel d'analyse des images radar.

9.3 MISE AU POINT DU MODELE MATHEMATIQUE (Configuration actuelle du bassin de gentilly) 9.3.1 Calage du modèle en hydraulique

La phase de calage a tout d’abord été réalisée dans l’ancienne configuration du bassin, puis complétée en utilisant les pluies des 03/03/00 et 29/02/000. Bien que ces deux pluies présentent les mêmes caractéristiques générales et ne remplissent que peu le bassin B2, elles ont été retenues du fait de deux configurations complémentaires au niveau des phases de vidanges des bassins. En effet : Concernant la pluie du 03/03/00 : les tranches supérieures (eaux claires) ont été vidangées à fort débit (1 000 l/s entre 04h20 et 05h04), puis la tranche inférieure (eaux sales) a été vidangée à faible débit (300 l/s entre 05h05 et 06h07). Cette vidange a été pilotée par la consigne de durée maximale de stockage (12 h) puisque la turbidité indique une concentration restée supérieure à 50 mg/l. Concernant la pluie du 29/02/00 : les tranches supérieures et inférieures ont été vidangées une première fois à très fort débit (2 300 l/s) dès la fin de la pluie (vers 22h50), puis une seconde fois plusieurs heures après la pluie (vers 09h15 le 01/03/00). Les Figures ci-après montrent la qualité des résultats obtenus dans cette phase de calage. Hauteur B1, plu ie du 03/03/00

8 7 6

8

2

7

2

4

6

4

6

5

6

8

4

ouv VEC2 5

ouv VEC1

mesurée simulée

4 3

Hauteur B2, pluie du 03/03/00

0

0

8

mesurée simulée

10

3

10

12

2

12

14

1

14

16

0

ferm VEC1, VEC2 2 ouv VES1 1 fermVES1 0

0 3 : 2 1

0 3 : 3 1

0 3 : 4 1

0 0 3 : 3 : 5 6 1 1

0 3 : 7 1

0 0 3 : 3 : 8 9 1 1

0 3 : 0 2

0 3 : 1 2

0 3 : 2 2

0 3 : 3 2

0 3 : 0

Figure 37 : B1, Pluie du 03/03/00

0 0 3 : 3 : 1 2

0 3 : 3

0 0 3 : 3 : 4 5

0 3 : 6

0 3 : 2 1

0 3 : 3 1

0 3 : 4 1

0 3 : 5 1

0 3 : 6 1

0 3 : 7 1

0 3 : 8 1

0 3 : 9 1

0 3 : 0 2

0 3 : 1 2

0 3 : 2 2

0 3 : 3 2

0 3 : 0

0 3 : 1

0 3 : 2

0 3 : 3

0 3 : 4

0 3 : 5

Figure 38 : B2, Pluie du 03/03/00


59

0 3 : 6

16

Hauteur Lib ération - plu ie du 03 03 00

4 1_042 mesurée

pics dus à la vidange de B1

1_042 simulée

0.6 pic dû à la pluie

6

Hauteur Crosnes - pluie du 03 03 00

0

12 0.2

2 2

1.5

8 10

0.4

0

2.5

2

1 0.8

0

4 13_040 simulée

6

13_040 mesurée

8

1

10 12

0.5

14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2

16

14 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 : 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2

16

Figure 39 : Libération (Aval Bassin de Gentilly), Figure 40 : Crosne (Aval Bassin Versant), Pluie du Pluie du 03/03/00 03/03/00 9.3.2 Validation du modèle en hydraulique

La phase de validation a été réalisée sur une dizaine d’autres pluies. La qualité des résultats obtenus étant en tout point comparable à celle obtenu lors du calage, seuls les résultats de la pluie du 05/04/00 et de la série du 24/02 au 06/03/00 seront commentés et illustrés ici. En effet ces deux cas ont été retenus car présentant un intérêt particulier : Concernant la pluie du 05/04/00 : différents éléments ont guidé ce choix : cette pluie a été échantillonnée en pollution et sera utilisée pour la mise au point du modèle de pollution (ce qui implique d’avoir une bonne qualité de résultats en hydraulique), le bassin B2 a été rempli à hauteur de 50 % et enfin, la vidange a été pilotée par la consigne de durée maximale de stockage (12 h) puisque la turbidité indique une concentration restée supérieure à 50 mg/l. Concernant la série de pluie du 24/02 au 06/03/00 : l’intérêt est de réaliser une simulation sur plusieurs jours avec pour objectif de vérifier si le modèle pourra être utilisé comme outil de prédiction et d’aide à la décision dans la perspective où l’on souhaite l’utiliser sur des scénarios correspondant à des enchaînements de plusieurs événements pluvieux afin d’optimiser les règles de gestion du bassin. Les résultats obtenus sont présentés sous forme de graphiques dans Figure 41 à Figure 48 et l’examen de ces résultats amène quelques commentaires : Concernant la pluie du 05/04/00 : Les résultats sont de bonne qualité générale, mais un problème vis-à-vis des consignes de débit de l'électroslide a été constaté : en effet, le palier créé par la limitation à 299 l/s du débit de l'électroslide à 1h45 ne se retrouve pas dans les mesures (Figure 43). Nous avons donc effectué une simulation en ignorant cette consigne. Les résultats sont effectivement plus proches de la réalité. Cette correction permet également d'améliorer la reproduction de la vidange du bassin B2, freinée par la limitation du débit de l'électroslide. Dans ce cas les résultats pour B2 sont également de bonne qualité aussi bien pour le remplissage que pour la vidange. Concernant la série de pluie du 24/02 au 06/03/00 : les différents graphes font apparaître certaines différences significatives entre les simulation et les mesures. Un examen attentif permet d’expliquer ces différences comme par exemple : ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

60

Du 24/02 à 00h au 25/2 vers 12h, les hauteurs d'eau simulées sont bien inférieures aux hauteurs d'eau mesurées. Or, la pluie correspondante (pluviomètre Haut-du-Lièvre) est très faible, et ne peut raisonnablement pas générer brusquement un mètre de hauteur d'eau dans le bassin. L’exploitation des données enregistrées par les autres pluviomètres a confirmé les informations provenant de celui du Haut du Lièvre. Du 25/02 vers 12h au 28/02 vers 18h, la hauteur d'eau mesurée dans B1 augmente de façon importante (les vannes sont fermées durant cette période). Cependant, aucune pluie n'a été observée sur les pluviomètres. Par ailleurs, les hauteurs d'eau mesurées avenue du Rhin, d'où provient la totalité du débit par temps sec, sont inférieures à 1cm (Figure 45), donc une telle montée du niveau dans B1 ne peut correspondre au seul stockage des effluents de temps sec. Ces simulations ont été réalisées avec comme seule donnée d’entrée la pluviométrie (les règles de gestion sont adaptées en fonction de ce qui s’est passé réellement). Les résultats pour cette simulation longue durée sont de bonne qualité. Par ailleurs, on peut dire que le modèle peut être utilisé comme outil de prédiction et d’aide à la décision dans la perspective où l’on souhaite l’utiliser sur des scénarios correspondant à des enchaînements de plusieurs événements pluvieux afin d’optimiser les règles de gestion du bassin. Hauteur B1 - pluie du 05/04/00

Hauteur B2 - pluie du 05/04/00

8.0

0

8.0

7.0

2

7.0

2

4

6.0

4

6

5.0

6

8

4.0

10

3.0

12

2.0

12

14

1.0

14

16

0.0

6.0 mesurée

5.0

ouv VEC1

simulée

0

ouv VEC2

4.0 3.0

ouv VES1

2.0

mesurée simulée simulée sans lim electroslide

8

ouv VES2

10

ferm VEC1, VEC2

1.0 0.0

ferm VES1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 0 2 0 2 4 6 8 0 2 4 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1

Figure 41 : B1, pluie du 05/04/00 0

2.5

Hauteur Crosne - pl uie du 05/04/00

0 2

2

1.0 mesurée simulée simulée sans lim electroslide

0.8

4 6

ouv VES1 ouv VEC1, VEC2

ouv VES2

12 0.2

2.0

1.5

4

mesurée simulée simulée sans lim electroslide

6 8

8 10

0.4

0.0

16

Figure 42 : B2, pluie du 05/04/00

Hauteur Libératio n - plu ie du 05/04/00

0.6

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 0 2 0 2 4 6 8 0 2 4 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1

1.0

10 12

0.5

14

14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 0 2 0 2 4 6 8 0 2 4 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1

Figure 43 : Libération, pluie du 05/04/00

16

0.0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 0 2 0 2 4 6 8 0 2 4 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1

Figure 44 : Crosnes, pluie du 05/04/00


61

16

H a u te u r R h in

- 2 4 /0 2 a u

0 6 /0 3 /0 0 0 3

1 .0

6

0 .8

9 0 .6

1 2

R h in m e s u r é e

1 5

R h i n s im u l é e

0 .4

1 8 0 .2 0 .0

2 1 2 / 4 2

2 / 5 2

2 / 6 2

2 / 7 2

2 / 8 2

2 / 9 2

3 / 1

3 / 2

3 / 3

3 / 4

3 / 5

2 4

3 / 6

Figure 45 : Rhin, série du 24/02 au 06/03/00

H a u t e u r B 1 - 2 4 /0 2 a u

8 .0

0 6 /0 3 /0 0

0

7 .0

2

6 .0

4

5 .0

6

4 .0

8

m e s u ré e s im u lé e

3 .0

10

2 .0

12

1 .0

14

0 .0

2 / 4 2

2 / 5 2

2 / 6 2

2 / 7 2

2 / 8 2

2 / 9 2

3 / 1

3 / 2

3 / 3

3 / 4

3 / 5

3 / 6

16

Figure 46 : B1, série du 24/02 au 06/03/00 H a u t e u r B 2 - 2 4 /0 2 a u 0 6 / 0 3 / 0 0 8 .0

0

7 .0

2

6 .0

4

5 .0

6

4 .0

8

3 .0

10

m e s u ré e s im u lé e

2 .0

12

1 .0 0 .0

14 2 / 4 2

2 / 5 2

2 / 6 2

2 / 7 2

2 / 8 2

2 / 9 2

3 / 1

3 / 2

3 / 3

3 / 4

3 / 5

3 / 6

16

Figure 47 : B2, série du 24/02 au 06/03/00


62

H a u t e u r C r o s n e - 2 4 /0 2 a u 0 6 / 0 3 / 0 0

2 .5

0 3

2 .0

6

1 .5

9

1 3 _ 0 4 0 m e s u ré e

12

1 3 _ 0 4 0 s im u l é e

1 .0

15 18

0 .5

21

0 .0

2 / 4 2

2 / 5 2

2 / 6 2

2 / 7 2

2 / 8 2

2 / 9 2

3 / 1

3 / 2

3 / 3

3 / 4

3 / 5

24

3 / 6

Figure 48 : Crosnes, série du 24/02 au 06/03/00

9.3.3 Mise au point et verification du modèle pollution

Vérification des simulations en pollution à l’entrée du bassin. Les Figures ci-après proposent les résultats de simulation pour les MES en entrée de bassin pour les pluies du 5 avril et 18 mai 2000 (les résultats pour les autres polluants sont de même qualité). Ces résultats sont de même qualité que ceux obtenus lors de la précédente étude. Ainsi, le modèle a pu être testé sur cinq événements pluvieux (dont trois pluies en 1996) et permet de confirmer les commentaires proposés lors de cette première étude : même si dans la plupart des cas un décalage temporel est constaté, le modèle reproduit des pointes de concentrations correspondant aux mesures et aux différents pics de pluie et ceci avec une qualité pouvant qualifiée de satisfaisante. Néanmoins, ne disposant pas de mesures de pollution pour des pluies plus importantes, nous ne pouvons pas conclure sur les résultats du modèle dans le cas d’événements pluvieux plus intenses. 50

0

40

4

) s / g 30 ( n e x u 20 l F

) h / m m 8 ( e i r t é 12 m o i v u l 16 P

Mesures Simulation

10

200

0

175

2

Mesures Simulation

150

)125 s / g ( 100 x u l F 75

4 6 8 10

50

0

0 0 : 0

0 2 : 3

0 4 : 6

0 0 : 0 1

0 2 : 3 1

0 4 : 6 1

0 0 : 0 2

0 2 : 3 2

0 4 : 2

0 0 : 6

0 2 : 9

0 4 : 2 1

20

Figure 49 : Entrée B1, pluie du 05/04/00, flux MES

12

) h / m m ( e i r t é m o i v u l P

25 14 0

0 0 : 0 1

0 3 : 1 1

0 0 : 3 1

0 3 : 4 1

0 0 : 6 1

0 3 : 7 1

0 0 : 9 1

0 3 : 0 2

0 0 : 2 2

0 3 : 3 2

0 0 : 1

0 3 : 2

0 0 : 4

0 3 : 5

0 0 : 7

0 3 : 8

Figure 50 : Entrée B1, pluie du 18/05/00, Flux MES 9.3.4 Mise au point du modèle en pollution à la sortie du bassin


63

Dans ce cas, la difficulté du travail de modélisation était la reproduction des phénomènes de sédimentation et/ou remise en suspension dans les compartiments, puisque c’est ainsi que l’ouvrage doit fonctionner. Après différents essais, les deux compartiments ont été « modélisés » comme de grandes conduites, en utilisant les lois de transport total du logiciel. Les Figures ci-après proposent les résultats de simulation en sortie de bassin pour les pluies du 5 avril et 18 mai 2000 : Concernant la pluie du 05/04/00 : on peut observer que le modèle reproduit fidèlement, dans l’ensemble, les mesures effectuées au moment de la vidange du bassin que ce soit pour l’ouverture des vannes « eaux claires » ou « eaux sales ». Concernant la pluie du 18/05/00 : le pollutogramme des concentrations présente deux visages : une première partie de simulation au cours de laquelle les variations de concentrations en MES dues aux ouvertures des vannes « eaux claires » et « eaux sales » sont bien reproduites dans la forme. La seconde partie du calcul, qui paraît diverger par rapport aux mesures.

) l / g m ( n o i t a r t n e c n o C

250

0

200

4

150

8

Simulation Mesures

100

12

50

16

0

0 0 0 0 0 : 2 : 4 : 0 : 0 3 6 0 1

0 2 : 3 1

0 4 : 6 1

0 0 : 0 2

0 0 0 0 0 2 : 4 : 0 : 2 : 4 : 3 2 6 9 2 2 1

) h / m m ( e i r t é m o i v u l P

100

0

80

4

) s 60 / g ( x u l F 40

) h / m m ( 8 e i r t é 12 m o i v u l 16 P

Simulation Mesures

20 0

20

0 0 0 0 0 : 2 : 4 : 0 : 0 3 6 0 1

0 2 : 3 1

0 4 : 6 1

0 0 : 0 2

20

0 0 0 0 0 2 : 0 : 2 : 4 : 4 : 3 2 6 9 2 2 1

Figure 51 : Sortie Bassin, pluie du 05/04/00, conc Figure 52: Sortie Bassin, pluie du 05/04/00, flux MES MES 0

600

200

2

500 ) l / g m400 ( n o i t 300 a r t n e c 200 n o C

) h / m m 6 ( e i r t 8 é m o 10 i v u l 12 P 4

Simulation Mesures

100

Simulation Mesures

150

) s / g (

x u l F

100

50

14

0

0 3 : 5

0 0 : 7

0 3 : 8

0 0 : 0 1

0 3 : 1 1

0 0 : 3 1

0 3 : 4 1

0 0 : 6 1

0 3 : 7 1

0 0 : 9 1

0

0 0 : 2

0 3 : 3

0 0 : 5

0 3 : 6

0 0 : 8

0 3 : 9

0 0 : 1 1

0 3 : 2 1

0 0 : 4 1

Figure 53: Sortie Bassin, pluie du 18/05/00, conc Figure 54: Sortie Bassin, pluie du 18/05/00, flux MES MES 9.3.5 Discussion des résultats en pollution

Concernant les campagnes de mesures, plusieurs observations peuvent être faites : la coïncidence d’un « bon » événement pluvieux et le déroulement d’une campagne de mesures dans de bonnes conditions est souvent aléatoire. De ce fait, les quatre campagnes pollution effectuées correspondent à des mesures sur de petits événements (remplissage partiel de B2) et ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

64

pour trois d’entre elles, la durée de temps sec ayant précédé la pluie est inférieure à 2 jours, ce qui se traduit par des concentrations en matières polluantes peu élevées. L’utilisation du modèle pour des concentrations trop faibles n’aurait pas d’intérêt et risquerait de conduire à un mauvais paramétrage lorsque le transport de pollution est plus important. Néanmoins, les premiers résultats de modélisation sont très encourageants. Sur les deux pluies TM dont les campagnes ont été exploitées, les calculs d’HYDROWORKS-DM ont été semblables aux mesures, que ce soit en entrée ou en sortie de bassin. Pour l’entrée, cette étude a confirmé les conclusions de la précédente : la simulation de la pollution arrivant dans le bassin est très bien prise en compte par le modèle. Ceci est une information essentielle puisqu’elle nous permet d’évaluer, pour différentes conditions, la contribution du bassin en pollution sur l’ensemble du bassin versant. Pour la sortie, qui était l’incertitude de l’étude compte tenu des phénomènes complexes en jeu dans le bassin, les résultats sont également de bonne qualité. On a pu observer que les vidanges au niveau de B1 en « eaux claires » et en « eaux sales » pour les deux événements étaient bien simulées. Toutefois, la vidange n’a pu être calée pour B2 que sur un événement et uniquement pour la vidange des « eaux sales ». De plus, il est nécessaire de s’intéresser aux résultats de simulation au niveau des surverses de B1 vers B2 par rapport aux mesures. Il est important de comprendre et savoir comment se fait la répartition de la pollution entre les deux compartiments.

9.4 SYNTHESE Les résultats de cette étude de modélisation du réseau d’assainissement du bassin de Boudonville ne se limitent pas à une simple comparaison entre les simulations et les mesures, mais ont pour but de valider un outil mathématique dont l’utilisation devra permettre de mieux comprendre, caractériser et finalement anticiper le comportement du réseau au point de vue de l’hydraulique et de la pollution. Le modèle mathématique en hydraulique est validé et la bonne qualité des résultats obtenus sur des pluies faibles ou fortes, avec et sans gestion de la vanne de régulation du bassin de Gentilly, montre qu’il pourra être utilisé sans modifications importantes dans une phase ultérieure. Le modèle mathématique en pollution donne des résultats satisfaisants en entrée du bassin de Gentilly (cinq pluies disponibles) et des résultats encourageants en sortie, même si ceux-ci nécessiteraient encore des vérifications sur d’autres événements pluvieux. Les résultats de cette étude sont d’ores et déjà encourageants quant à la mise en œuvre d’un outil de simulation et à son utilisation future avec des scénarios de pluies ou de séries de pluies, ainsi qu’au choix et à la validation des consignes de gestion du bassin de Gentilly et donc à la quantification de son impact en hydraulique et pollution sur le milieu récepteur.


65

10. ANNEXE 4 « « Etude de définition du débit de

référence d’une station d’épuration : application au système d’assainissement de Grand Couronne » Cette étude a été réalisée dans le cadre d’une convention avec l’Agence de l’Eau Seine Normandie» , réalisée dans le cadre du projet LIFE96ENV/F/420. Texte rédigé par M. Zug dans le cadre du séminaire ENGEES / AGHTM, « La modélisation en assainissement, remise en cause des pratiques ? », le 24 janvier 2001 à Strasbourg

10.1 Contexte La nécessité de prendre en compte les impacts des rejets urbains de temps de pluie est apparue au cours de ces dernières années afin d’améliorer la qualité des milieux récepteurs. Les obligations réglementaires ont été renforcées à travers la directive européenne du 21/05/91 sur le traitement des eaux résiduaires et sa traduction en droit français : loi sur l’eau du 03/01/92 et ses textes d’application. Conformément aux recommandations du Ministère de l’Environnement pour l’application du décret du 3 juin 1994 et des arrêtés du 22 décembre 1994, la prise en compte des rejets urbains de temps de pluie sera effectuée à travers une démarche locale et progressive, et concerne uniquement les circonstances météorologiques normales. Celles-ci doivent être définies en opposition aux circonstances météorologiques exceptionnelles pour lesquelles un fonctionnement de la station en mode légèrement dégradé peut être accepté.

Le Ministère de l’Environnement encourage en effet dans ses recommandations (circulaire du 12/05/95) la fixation de deux débits caractéristiques : -Le débit de référence de l’installation qui correspond à son débit nominal, pour lequel est requis son niveau de traitement adapté aux objectifs de qualité du milieu, et qui comprend nécessairement la totalité du débit de temps sec et, si nécessaire, la part de débit de temps de pluie que la collectivité a décidé de traiter. -Un débit supérieur, correspondant à de plus fortes pluies, pour lequel des performances moins sévères peuvent être envisagées. Ce débit, pour être pertinent, doit être associé à une durée d’épisode pluvieux.

10.2 Objectifs C’est dans ce cadre que l’Agence de l’Eau Seine Normandie a cofinancé une étude dont l'objectif est de proposer une méthodologie qui permette, à partir de l’étude d’un cas concret, de :


66

-Définir le débit de référence d’une station d’épuration et l’événement pluvieux exceptionnel associé, c’est à dire définir les conditions limites correspondant aux eaux de temps de pluie. -Elaborer des recommandations pour la conception et l'exploitation du système d'assainissement afin de gérer au mieux l’ensemble des événements pluvieux. L’appréhension fine du système d’assainissement complet grâce à une modélisation des systèmes de collecte et de traitement, et le suivi du fonctionnement du système d’assainissement par temps de pluie pendant une longue période, permettront d’atteindre cet objectif.

10.3 DEMARCHE adoptée Afin d’atteindre les objectifs précédemment définis, la démarche suivante a été adoptée : -Analyse pluviométrique, à la fois en terme de régime des précipitations et de régime de temps sec les précédant, de manière à définir une année synthétique de pluie. -Mesures de terrain, qualitatives et quantitatives, de longue durée (1 an) sur le système d’assainissement. -Construction, calage et validation de modèles représentant l’ensemble du système d’assainissement, à l'aide des logiciels HYDROWORKS DM™ (réseau) et SIMBA/SIMBAD (station). -Diagnostic du fonctionnement des ouvrages existants, en réalisant des simulations sur la base de l’année synthétique de pluie. -Etude de scénarios prenant en compte des améliorations et/ou des modifications par rapport au système existant. -Elaboration d’une méthode reproductible pour la détermination des limites de garantie du traitement.

10.4 Site d’application Pour développer cette méthode, le système d’assainissement de Grand-Couronne a été retenu. Le bassin versant de Grand-couronne, situé dans la banlieue de Rouen, est drainé par un réseau unitaire et un réseau séparatif. L’exutoire du réseau unitaire est un bassin tampon situé en entrée de la station d’épuration, les eaux usées séparatives étant directement acheminées à la station. Le bassin versant étudié comprend 6 900 habitants répartis sur 247 ha. La surverse du bassin tampon peut être considérée comme l’unique point de rejet du réseau de collecte. La station d’épuration est de type « boues activées » avec pré-traitements, bassins biologiques et 3 clarificateur. Son dimensionnement initial est basé sur un débit de 4 800 m /jour (20 000 EH), permettant un traitement des pluies de période de retour inférieure ou égale à deux mois. Sur cette même base de dimensionnement, le bassin tampon de 1 400 m 3 (unique point de rejet du réseau) ne doit pas engendrer plus de 6 déversements par an.

10.5 Analyse pluviométrique


67

L’objectif est de construire une année pluviométrique représentative sur le site de GrandCouronne. Le principe adopté est le suivant : à partir de l’analyse des enregistrements pluviographiques disponibles, un inventaire des événements pluvieux est réalisé, permettant une classification de ceux-ci pour en établir une typologie. Puis une année synthétique, constituée de pluies d’intensité moyenne ayant déclenché un ruissellement, est générée sur la base des différentes classes de pluies mises en évidence. Météo France a ainsi travaillé sur les données pluviographiques de sa station de Rouen-Ville, sur les années 1983 à 87, et 1991 à 96, soit 11 années de données. Afin de traiter les données et de séparer le temps de pluie du temps sec, des limites ont été définies. Ainsi, nous avons choisi le seuil de 1 millimètre pour définir un événement pluvieux, et une durée minimale de 30 minutes pour considérer un épisode de temps sec. Les variables utilisées sont la durée (d), la hauteur (h), la durée de temps sec qui précède immédiatement l’événement pluvieux (TSS) et la durée de temps sec précédant l’événement pluvieux, augmentée de la durée des épisodes pluvieux n’entrant pas dans la définition des événements pluvieux (TSL). La méthode utilisée a permis d’obtenir 6 classes de pluies : Classe Nombre d’événements pluvieux 1 469 2 4 3 10 4 818 5 268 6 60

% du nombre total d’événements 29 % 0,4 % 0,6 % 50 % 16 % 4%

Durée moyenne (min) 153 5 041 435 62 295 502

Hauteur moyenne (mm) 3,2 5,5 34,6 1,4 7,2 16,5

TSL moyen (min) 3 269 2 555 2 346 3 342 3 825 3 164

Pour l’année synthétique, le but est d’obtenir à partir des résultats précédents une série chronologique correspondant à une année, constituée de valeurs d, h, et TSL, et représentative de la pluviométrie annuelle de la station. La méthodologie utilisée est d’ordre statistique et ne sera pas décrite ici. L’année synthétique ainsi constituée est composée de 155 événements, que nous avons dû discrétiser pour les simulations : forme rectangulaire pour les pluies dont h < 2 mm et forme triangulaire quand h >2 mm.


68

Année synthétique de pluie 20.0 18.0 16.0

) m m ( e é t i p i c é r p r u e t u a H

14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0

v a n j 1

v r f é 1

s a r m 1

r a v 1 -

i a m 1 -

i n u j 1

l i u j 1 -

û t a o 1

p t s e 1

t o c 1 -

v n o 1 -

c d é 1 -

Date

La hauteur totale précipitée de cette année synthétique est de 522,4 mm, alors que celle observée pour l’année 1998 est de 552,1 mm. On peut donc considérer l’année synthétique comme représentative de la réalité.

10.6 Mesures Les mesures ont été effectuées en 17 points (dont 2 pluviographes), durant 2 ans (démarrage en avril 1998). Le nombre important de points de mesures (17 au total représentant un peu plus d’un demimillion de données par mois) a nécessité la mise en place d’une organisation adaptée afin de gérer le flux important de données. Toutes les mesures en continu ont été enregistrées par des appareils électroniques et ont nécessité l’élimination des valeurs aberrantes ou manquantes, une mise en forme et une validation, avant leur utilisation et interprétation. Les campagnes de mesures comprennent : -Des mesures de temps sec et de temps de pluie permettant d'avoir une image sur l'année du fonctionnement du système d’assainissement. -Des mesures de temps sec permettant le calage du modèle dynamique SIMBAD, et celui d’HYDROWORKS DM™. -Des mesures de temps de pluie permettant de caler et de valider les modèles HYDROWORKS DM™ et SIMBAD sur un nombre suffisant de pluies. Ces mesures, selon le point considéré, concernent les paramètres suivants : MES, MVS, MS, DBO5, DCO, DCO soluble, DCO dure, NNH 4, NTK, NNO 3, P total, P soluble, Pb, Zn, Cd, TAC.

10.7 Modèle « réseau » ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

69

10.7.1 Construction du modèle

Les réseaux unitaire et EU séparatif ont été modélisés à l’aide du logiciel HYDROWORKS DM™. Le modèle « réseau » intègre également le bassin tampon, mais uniquement pour la partie hydraulique. Le modèle comporte 64 nœuds de calculs. 10.7.2 Calage et validation du modèle

Pour caler et valider le modèle en hydraulique et pollution, quatre étapes ont été nécessaires : - Calage et validation du réseau unitaire par temps sec, en hydraulique et en pollution. - Calage et validation du réseau séparatif par temps sec, en hydraulique et pollution. - Calage et validation du réseau unitaire par temps de pluie, en hydraulique et pollution, pour des événements pluvieux isolés. - Validation et transposition pour des séries chronologiques de pluie. Lors des phases de calage et validation, afin de juger de la qualité des résultats, deux approches ont été utilisées : L’approche qualitative, qui consiste à représenter graphiquement les valeurs simulées et mesurées. Les critères de comparaison sont : l’allure générale de la courbe, les positions dans le temps des pics, les valeurs maximales. L’approche quantitative, plus objective. On compare ici les volumes et les charges de pollution, mesurés et simulés, sur une période déterminée de temps sec ou de pluie. Certaines spécificités du réseau ont rendu la modélisation délicate. En effet, l’importante influence aval créée par le bassin tampon sur le réseau, ainsi que la faible pente du dernier collecteur, génèrent la formation d’importants dépôts par temps sec, et leur érosion par temps de pluie. De plus, la part de pollution de soluble est très importante dans ce réseau. Malgré ces contraintes, les résultats de calage et de validation sont de bonne qualité. Tant pour les simulations d’événements isolés que de longues séries, les hydrogrammes et pollutogrammes simulés sont semblables à ceux mesurés, pour l’aspect des courbes et pour les valeurs maximales. Les volumes et charges mesurés et simulés sont du même ordre de grandeur. Les figures suivantes présentent quelques exemples de comparaisons entre les mesures et les simulations, pour des événements isolés ou des longues séries :


70

Pluie du 17/10/98 : comparaison des débits mesuré et simulé

0

0.3

2

0.25

Pluie (mm/h) Débit mesuré (m3/s) Débit simulé (g/s)

) s 0.2 / 3 m ( 0.15 t i b é D 0.1

4 6 8 10 12 14

0.05

16

) h / m m ( e i u l p é t i s n e t n I

400 350 ) s / 300 g ( 250 S E200 M x 150 u l F100 50 0

18

0 11:34

Comparaison des flux de MES pour la pluie du 17/10 validation du réseau unitaire

12:24

13:14

14:04

14:54

11:34

MESm (g/s) MESsim (g/s)

12:24

13:14

14:04

14:54

15:44

15:44

Comparaison des flux de DCO pour la pluie du 17/10 validation du réseau unitaire 350 300

DCOm (g/s)

250

DCOsim (g/s )

200 150 100 50 0 11:34

18

12:24

13:14

14:04

14:54

15:44

Comparaison des flux de NTK pour la pluie du 17/10 validation du réseau uni taire

7 6

16 14

NTKm(g/s)

5

NTKsim (g/s)

4

12 10 8

3

6

2

4

NH4m (g/s) NH4sim(g/s)

1

2

0

0 11:34

Comparaison des flux de NH4 pour la pluie du 17/10 validation du réseau unitaire

12:24

13:14

14:04

14:54

15:44

11:34

12:24

13:14

14:04


14:54

15:44

71

comparaison hauteurs e n P1 - vali dation me nsuel le en hydraulique 3

0 Pluie (mm/h)

2.5

h mesurée h simulée

2

) m ( r u e 1.5 t u a H 1

0.5

5 10 15 ) h / m m 20 ( e i u l 25 p a l e 30 d é t i s 35 n e t n I 40 45

0

50

v r v r v r v r v r a v r a v r a v r a v r a v r a v r a v r a v r a v r a v r a v r a v r a v r a v r a v r a v r a v r - 6 - 7 - 8 - 9 - 0 - 1 - 2 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 0 - 1 - a 2 - a 3 - a 4 - a 5 a 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2

On peut donc considérer que le modèle « réseau » construit autour d’HYDROWORKS DM ™ pour le site de Grand-Couronne est validé et utilisable pour simuler n’importe quel type de scénario pluviométriques.

10.8 Modèle « bassin tampon et pré-traitements » Des campagnes de mesures spécifiques, à l’amont et l’aval du bassin tampon, ont mis en évidence une importante sédimentation par temps sec, et un phénomène d’érosion lors du fonctionnement des hydrojets en temps de pluie. Un modèle conceptuel décrivant ces phénomènes de pollution dans le bassin tampon, ainsi qu’un modèle conceptuel schématisant les pré-traitements (non pris en compte dans le modèle « station »), ont été construits. L’ensemble de ces modèle sert d’interface entre le modèle « réseau » et le modèle « station ». Le calage et la validation de ces modèles, par temps sec et par temps de pluie, ont été effectués de façon satisfaisante. Ces calage et validation ont concerné uniquement la partie pollution pour le bassin tampon, l’hydraulique et la pollution pour les pré-traitements. La figure suivante schématise les modèles réalisés :


72

Hydroworks

•Cp1, Qp1

P1

Modèle Bassin Tampon Mesures Modèle prétraitement

BT

P11 •Qp11 , Cp11

P13

• Qp1, Cp1 •Vbt, Hbt • Mdép ôt • , , , à cal er

•Qp13 , Cp13

P2 P14

•Qp2, Cp2

•Qp14, Cp14

Prétraitement

•Qp ’3, Cp ’3 P ’3

Vers bassins biologiques

10.9 Modèle « station » 10.9.1 Construction du modèle

Pour construire le modèle, il est nécessaire de connaître : - La matière polluante : flux total, concentration de chaque partie la constituant. - Les conditions opératoires : température, temps de séjour, qualité du mélange. Les données à recueillir pour la modélisation de la station concernent les caractéristiques géométriques et de fonctionnement des 4 bassins de boues activées et du clarificateur, ainsi que les caractéristiques de l’effluent d’entrée, de l’eau traitée et des boues déterminées par des mesures. Les informations relatives à l’exploitation comme les volumes des effluents d’entrée, la gestion des extractions, la gestion des recirculations des boues et des liqueurs mixtes, ou encore les volumes de l’eau traitée, sont des informations également indispensables pour la modélisation sous SIMBA/SIMBAD. Le modèle prend en compte les bassins biologiques (le bassin aéré a été représenté par 3 cuves pour prendre en compte le flux piston) et le clarificateur. 10.9.2 Calage et validation du modèle

Quatre campagnes de temps sec (une par saison) ont permis le calage du modèle permanent SIMBA et du modèle dynamique SIMBAD. Ces calages ont présenté une bonne adéquation entre les mesures et les simulations de la composition des boues activées, de l’eau traitée (en particulier les simulations des différentes formes azotées), de la quantité des boues extraites et de la respiration des boues activées. ANJOU RECHERCHE - ENGEES 73 Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

La comparaison de ces quatre calages par temps sec a permis de rapprocher, pour trois d’entre eux, les coefficients de calage, c’est-à-dire les compartimentations de l’effluent d’entrée (composition de la DCO et des formes azotées) et des paramètres du modèles (cinétiques). La quatrième campagne, bien qu’offrant des résultats de simulations de très bonne qualité, a été écartée car présentant des taux importants de formes azotées mesurés dus à des problèmes d’exploitation. Pour les trois simulations similaires, des valeurs moyennes ont été calculées pour les divers coefficients de calage. Ces coefficients moyens ont ensuite été introduits dans SIMBAD pour simuler les campagnes de temps sec, sans changer les conditions opératoires. Une qualité de résultats équivalente à celles des calages a été obtenue. Pour la suite des simulations utilisant des journées de temps sec, on peut donc adopter la compartimentation des eaux usées et la gamme de paramètres du modèle déterminées au cours de cette phase de calage de temps sec. Pour le calage et la validation par temps de pluie, quatre événements pluvieux ont été utilisés. En utilisant la compartimentation et les paramètres de temps sec, nous avons observé que les résultats de simulations étaient très proches des mesures. En conclusion, pour la station, des coefficients de calage moyens ont été isolés et validés au cours des calages des campagnes de mesures et seront utilisés pour toute simulation sur le système de traitement. On peut donc considérer que le modèle « station » construit autour de SIMBA/SIMBAD pour le site de Grand-Couronne est validé et utilisable pour simuler n’importe quel type de scénario.

10.10 Modèle intégré « réseau + bassin tampon + pré-traitements + station » On dispose donc désormais, pour le système d’assainissement de Grand-Couronne, d’un modèle intégré, associant le modèle « réseau », le modèle « bassin tampon et pré-traitements » et le modèle « station ». Ce modèle intégré a été calé et validé, en hydraulique et en pollution, par temps sec et par temps de pluie. C’est sur ce modèle intégré qu’on été simulés différents scénarios. Ces scénarios se distinguent par :

Trois configurations du système d’assainissement : - le système existant ; - le système « amélioré » (aucune modification structurelle mais uniquement des consignes de gestion de certains organes ou ouvrages différentes) ; - le système « modifié » (modifications structurelles de certains ouvrages, en termes de dimensionnement par exemple).

Quatre types d’entrées de la donnée « pluie » : - des événements représentatifs des classes de pluie définies par Météo France ; - des pluies réelles mesurées ; - des combinaisons de pluies (enchaînement de deux pluies consécutives) ; - l’année synthétique de pluie définie par Météo France. ANJOU RECHERCHE - ENGEES Modélisation des réseaux d’assainissement : Concepts-Approches et Etapes : Cours 3ème année de l’ENGEES

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Cours Modelisation Calage2010

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