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Modélisation de l’écoulement dans les ouvrages de réseaux d’assainissement et gestion en temps réel des réseaux

Présentation

MODELISATION DE L'ECOULEMENT DANS LES OUVRAGES DE RESEAUX D'ASSAINISSEMENT ET GESTION EN TEMPS REEL DES RESEAUX

 

 

 

Depuis les années 90, les législations européennes et françaises (loi sur l’eau de 1992 et arrêté du 22 décembre 1994) prévoient une réglementation des rejets vers le milieu naturel avec notamment la mise en place d’une surveillance des rejets au droit des ouvrages de déversement.

Bien que très fréquemment utilisés dans les réseaux d’assainissement, le fonctionnement de ces ouvrages de déversement n’est que très partiellement connu et le laboratoire s’est lancé dans une opération de recherche visant la compréhension, la modélisation et la simulation de ces organes de régulation des réseaux d’assainissement.

Parallèlement à ce travail, l’unité s’est également intéressée au problème crucial de la mesure et l’évaluation des débits (volumes et flux de pollution) rejetés au niveau de ces interfaces entre le milieu naturel et le réseau que sont les ouvrages de déversement.

 

PROJET "DEVERSOIRS D'ORAGE"

Pour répondre à cette thématique de recherche, un projet "déversoir d’orage" a été lancé en 1995. Ce projet regroupe différents partenaires tels que l’ENGEES, Veolia Water avec Anjou Recherche et sa Direction Technique, l'Institut de Mécanique des Fluides et des Solides de Strasbourg et le Groupement pour l’Evaluation des Mesures et Composants en Eau et Assainissement (GEMCEA) et est soutenu financièrement par le Fonds National pour le Développement de l’Adduction d’Eau (FNDAE).

 

 

L’objectif de ce travail est double : d’une part, il s’agit de mieux comprendre le fonctionnement hydraulique des réseaux d’assainissement par temps de pluie et par là même arriver à la simulation de ceux-ci et d’autre part il s’agit également d’élaborer un guide technique destiné aux ingénieurs. La publication de cet ouvrage doit se faire courant du premier semestre 2004.

 

Le déroulement de cette recherche a été programmé en cinq phases:

 

  1. Etude bibliographique de la modélisation des déversoirs d’orage, (1995 - 2002)
  2. Typologie et classification des déversoirs d’orage, (1997 - 2001)
  3. Mise en place d’un banc d’essais numériques, (1998 - 2004)
  4. Mise en place d'un banc d’essais physiques, (1999 - 2003)
  5. Exploitation et traitement des résultats. (2001 - 2004)

 

Concernant la compréhension du fonctionnement de ces ouvrages, la complexité structurelle du réseau d’assainissement ainsi que la forte variabilité des flux qui y transitent sont à l’origine de problèmes de simulation numérique tant de la ligne d’eau que des débits transportés dans le système.

Dans ce contexte, La thèse de Marc BUYER (1999-2002) a permis de traiter l’approche " Modélisation des déversoirs d’orage " en une dimension. En effet, la mise au point d’un outil pour le diagnostic et le dimensionnement des déversoirs latéraux à crêtes haute et basse avec possibilité de mise en charge est actuellement disponible.

La création de ce logiciel a fait l’objet d’une convention de recherche avec le Groupe Véolia Water - Anjou-Recherche. L’algorithme utilisé est basé sur une méthode dite Total Variation Diminishing (TVD) capable de s’affranchir des problèmes de convergence dans le cas de discontinuités comme le ressaut hydraulique. On considère le déversoir dans son environnement (notamment la géométrie des conduites amont et aval) et l’écoulement en régime transitoire (système d’équations de Barré de Saint Venant dit BSV).

 

Ce travail de recherche se poursuit dans le cadre de la thèse de Maher ABDALLAH, étudiant inscrit à l’Université Louis Pasteur depuis avril 2002. Elle concerne d’une part l’amélioration du schéma numérique de simulation de l’hydraulique des réseaux d’assainissement et d’autre part le couplage du transport de charge polluante associé aux écoulements.

Lorsque le système d’équations, qui régit les écoulements dans les réseaux d’assainissement, inclut des ouvrages particuliers de type confluence, déversoir et bassin de stockage, la stabilité du schéma n’est plus toujours assurée. Afin de pallier cet inconvénient, nous orientons notre recherche vers la résolution de ces équations par des schémas de type éléments finis discontinus associés à une limitation de pente, qui est plus performant. Le travail de Maher ABDALLAH vise tout particulièrement à mettre en œuvre ce type de schémas et à étudier la robustesse et la stabilité dans le cas de confluence. Dans un deuxième temps, nous couplons un modèle de pollution au modèle hydraulique (BSV et ouvrages spécifiques) de telle sorte qu’on puisse prendre en compte les interactions entre l’hydraulique et la pollution. L’étude porte d’une part sur une étude des modèles conceptuels utilisables et d’autre part sur le couplage de ce modèle avec l’hydrodynamique.

 

 

Dans ce contexte, la thèse de Gislain LIPEME KOUYI inscrit en octobre 2001 consiste, dans un premier temps, à développer une méthodologie de validation des résultats fournis par un code de calcul tridimensionnel. L’objectif est de vérifier l’aptitude d’un logiciel à pouvoir simuler l’hydraulique en 3D dans un déversoir par rapport à des mesures expérimentales en laboratoire. Pour cela, l’écoulement global a été décomposé en phénomènes simples, qui ont été étudiés individuellement par ordre croissant de complexité dans la modélisation. Ensuite, nous avons rassemblé tous ces résultats individuels pour modéliser en trois dimensions les écoulements dans les déversoirs d’orage, des plus simples (déversoir-pilote d’Obernai) aux plus complexes. La validation de la forme de la surface libre a nécessité le développement d’un capteur de mesure tridimensionnelle de hauteur d’eau basé sur le principe de la projection de frange en lumière structurée. Afin de valider notre démarche sur des ouvrages existants, trois sites sont à l’étude : 6 déversoirs à Sélestat, 1 déversoir à Fontainebleau et le déversoir de Clichy à Paris.

 

 

GESTION EN TEMPS REEL DES RESEAUX

Le syndicat interdépartemental pour l’assainissement de l’agglomération parisienne (SIAAP) développe un outil de gestion en temps réel et d’aide à la décision qui permettra, à terme, la maîtrise et l’orientation des flux interdépartementaux vers les différents ouvrages de stockage et de traitement ou vers le milieu naturel. L’un des objectifs à long terme du projet de gestion des flux, est de limiter l’impact des rejets de temps de pluie sur le milieu récepteur. Il sera, dans un premier temps, nécessaire de pouvoir estimer les charges polluantes susceptibles d’y être rejetées, et ce en continu avec une disponibilité la plus proche possible du temps réel. Dans ce contexte, l’objet de cette étude est de simuler l’écoulement hydrodynamique 3D des eaux au niveau du déversoir d’entrée de la station de Clichy, en vue de l’instrumentation de l’ouvrage. Les résultats attendus sont un profil de la surface libre au droit du déversoir, une estimation des champs de vitesse et de l’évolution des débits déversés au droit de la crête déversante. Les calculs sont effectués en fonction des modes de régulation actuels de l’usine de Clichy.

 

Par ailleurs, le projet de développement d’un capteur MES-FLUX a été présenté au programme RITEAU en décembre 2002 et a été labellisé par RITEAU. L’objectif du projet consiste à mettre au point un capteur ultrasonore pour la mesure conjointe de deux paramètres (le débit et la concentration des matières en suspension) dans tous types de conduites d’un diamètre inférieur à 1 m. Ce capteur déterminera, par une analyse temps-fréquence-direction des échos ultrasonores, la vitesse de l’écoulement et la concentration de MES par tranche de hauteur, ainsi que la répartition granulométrique des solides contenus. Il permettra de mesurer beaucoup plus précisément les flux de pollution, tout en simplifiant leur étude. La démarche proposée consiste à construire un système expérimental d’après les brevets déposés par l’un des partenaires (IMFS), à caractériser finement son comportement en laboratoire (ENGEES), puis à définir une méthodologie d’emploi au moyen d’essais de terrain. Les points clé du développement concernent la conception des transducteurs (par la société ULTRAFLUX), de l’électronique associée et le traitement du signal (IMFS). Au sein du projet RITEAU, Le laboratoire SHU a la responsabilité de la modélisation 3D des écoulements en conduite et celle du développement des bancs d’essai en laboratoire. Ainsi au deuxième trimestre 2003 a démarré la transformation du pilote d’Obernai afin que le test du premier prototype du profilomètre développé par l’IMFS puisse se dérouler. En outre, la modélisation tridimensionnelle des écoulements fait l’objet de la thèse de Jean Bernard BARDIAUX, entamée en décembre 2003.

 

Dans le cas de la gestion en temps réel des réseaux d’assainissement, la première étape peut par exemple consister à vérifier qu’une manipulation des organes de contrôle tels que les vannes et pompes est capable de minimiser les déversements vers le milieu naturel. Cette gestion, que l’on appelle " gestion de référence ", permet de déterminer les stratégies de commande sur toute la durée de l’événement pluvieux connu à l’avance. Ce calcul se fait donc à la fin de l’événement pluvieux et permet de dire ce qui aurait pu être fait avec les organes de régulation en terme de minimisation des volumes déversés. Il peut par exemple montrer ou non la nécessité de piloter les vannes et les pompes pendant l’événement pluvieux (gestion dynamique) plutôt que de fixer les débits à l’avance (gestion statique) dans le cas où l’on voudrait minimiser un déversement. Parmi les techniques classiques de recherche opérationnelle, la programmation linéaire par les graphes et la programmation linéaire mixte permettent de déterminer la solution optimale. Mais, compte tenu des contraintes hydrauliques imposées par le réseau d’assainissement, toutes les hypothèses d’applicabilité par l’approche des graphes ne sont pas vérifiées. On s’est donc intéressé à la vérification de l'optimalité dans le cas de la programmation linéaire par les graphes et de la programmation linéaire mixte pour la " gestion de référence " sur le réseau d’assainissement de Saverne (France). L’objectif est de pouvoir choisir un compromis entre la pertinence ou la précision des résultats et le moyen de les obtenir.