Modélisation du réseau d'assainissement

Cette partie est consacrée à la modélisation du réseau d'assainissement de Palm Jumeirah grâce au logiciel CANOE pour la production et le transport des eaux usées de l'île. En fin de cette partie, nous présenterons la production de polluant due à un évènement pluvieux. Elle s'articule selon les titres suivants :
 
 
 
 

1. Utilisation du logiciel CANOE


 
 
CANOE est un logiciel d’hydrologie urbaine. Il permet la conception et l'évaluation de réseaux d’assainissement soumis à des pluies ou des rejets urbains.
Il est constitué de plusieurs applicatifs, permettant d'apporter une aide à la plupart des activités des services techniques chargés de l'assainissement.

Nous avons choisi ce logiciel puisqu’il proposait des applications qui correspondaient à nos attentes pour ce projet. En effet, il permet :

- La simulation hydrologique et hydraulique
- La gestion des données structurelles et de catalogues d’ouvrages
 

Nous avons ainsi pu, grâce au logiciel CANOE, construire notre réseau d’assainissement et simuler l’évolution des eaux usées dans ce réseau . 

 

1.1. Création des bibliothèques
 
Afin de réaliser cette modélisation sur CANOE, le logiciel requiert deux bibliothèques de données : une bibliothèque de pluie et une bibliothèque de conduites.
Bibliothèque de pluie: 
On créé une bibliothèque de pluie grâce à un évènement particulier (par exemple février 2009) c'est-à-dire grâce un évènement pluvieux exceptionnel.
Bibliothèque de conduite:
On créé 5 types de conduites de diamètres différents (100 mm, 200 mm, 300 mm, 400mm, 700 mm, 1000 mm) avec des caractéristiques similaires.
 
 
Figure 1.Caractéristique des conduites. Source: Logiciel CANOE
 
Chaque conduite est faite en PVC et est de type normalisée circulaire. De plus, la valeur de leur rugosité est de 80.
 
1.2. Description du réseau d'assainissement
 
Pour la récolte de données concernant le réseau d'assainissement sur Palm Jumeirah, nous sommes rentrés en contact avec l’entreprise ROEDIGER. L’entreprise ROEDIGER a mis en place une grande partie du réseau d’assainissement sur l’île de Palm Jumeirah. Il s’agit d’un système d’assainissement sous vide, l’entreprise ayant installé un système de pompe à vide pour récupérer les eaux usées. Selon leurs documentations, à ce jour sont installés 1200 chambres de collecte  RoeVac  pour les villas situées sur les palmes qui abritent 23000 personnes.[1].
 
Le système sous vide est décrit comme suit : « Les eaux usées s’écoulent de façon gravitaire vers la chambre de collecte Roevac, installée à l’extérieur des bâtiments. Lorsque la chambre de collecte contient un certain volume d’eaux usées, le contrôleur automatique est activé par simple pression hydrostatique. Le contrôleur ordonne alors l’ouverture de la vanne de vide pour un temps donné et les eaux usées sont totalement évacuées. » [2]

Voici un schéma du réseau que nous voulons mettre en place sous CANOE :

Figure 2. Schéma du système d'assainissement du centre de Palm Jumeirah. Source: Personnelle
 
Le fait que l’île de Palm Jumeirah soit plate, c'est-à-dire sans dénivellation, justifie l’utilisation d'un tel réseau sous vide. Nous allons donc maintenant créer deux modélisations : la première au niveau d'une seule chambre de collecte, la seconde sur la globalité du réseau de l'île.
 
 
 
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2. Simulation d'un bassin versant


Figure 3. Schéma du système de chmabre de collecte. Source: Personnelle


 
Il est utile de rappeler que chaque bassin versant correspond à une palme de l'île et possède un nombre d'habitant précis. Ce bassin versant permet de représenter la production des eaux usées par les habitants de la palme qui consomme chacun, selon nos sources, 280 L par jours.
 
Les eaux usées provenant d'une maison vont se stocker dans une chambre de collecte. Lorsque la chambre de collecte est assez pleine, la pompe se met en marche pour vider la chambre. On arrive ainsi à reproduire partiellement le système sous vide mis en place sur Palm Jumeirah.
 

Pour simuler un bassin versant, l’idée de départ était d'associer le bon volume d’une chambre de collecte à la population d’un bassin versant, puis d’observer son comportement avec des pompes de différentes puissances. Après quelques simulations, nous avons remarqué que la chambre était vidée et re-remplie en un temps trop court et que cela n’avait pas de significations physique. Nous avons donc préféré caler le volume de la chambre sur un nombre de vidange donné et pour une puissance de pompe donnée pour une journée. Cela nous donne peut être des volumes de chambre incohérents mais nous pouvons ainsi quantifier les différents volumes d’eau passant par la pompe.


Pour se fixer un nombre de vidange par jour, nous avons fait un calcul pour une chambre de collecte. Selon ROEDIGER, la moyenne de consommation à Dubaï est de 280 litres par jour et par personnes. Une chambre de collecte sert à 30 personnes. Selon un schéma fourni par un collaborateur, nous avons fait l’hypothèse que la chambre représentait un cube de 55 cm de coté. Après calcul, nous en déduisons que la chambre doit se vider environ 50 fois par jour. Cette valeur étant maximale, nous effectuons nos simulations dans les cas les plus défavorables.

 
Aux vues du schéma précédent, présentant la chambre de collecte, nous avons choisi de connecter 3 éléments sur CANOE :
- une canalisation de 300 mm de diamètre avec une pente partant du sol pour modéliser les canalisations provenant des habitations.
- un bassin de retenue modélisant la chambre de collecte. Nous aurions pu choisir une chambre de stockage en ouvrage spécial mais nous ne connaissons pas assez le logiciel pour pouvoir maîtriser les ouvrages spéciaux.
- une canalisation de 400 mm de diamètre représentant la liaison intermédiaire entre la chambre et le réseau sous vide.

Voici par exemple un diagramme de la production d’eaux usées pour un bassin versant qui s'écoulera dans la canalisation qui provient des logements (300mm de diamètre) :

 
Figure 4. Histogramme de production d'eaux usées d'un bassin versant. Source: CANOE
 

Voici le schéma en coupe du système mis en place:

Figure 5. Schéma du système de bassin versant sur le logiciel. Source: CANOE 

Il nous faut ensuite ajouter une pompe à l’ouvrage du bassin de retenue, voici les caractéristiques que nous fournissons :

Figure 6. Caractéristique d'une pompe. Source: CANOE

Nous choisissons un seul palier de pompage. Sachant que notre chambre de collecte fait 82 cm de hauteur dans cette simulation, nous optons pour une côte marche à  40 cm de haut dans la chambre et pour une côte arrêt à 3 cm de haut. Nos valeurs prennent en compte la côte radier.
Sachant que notre canalisation de sortie fait 400 mm de diamètre, le logiciel nous informe que la capacité maximale de débit dans cette conduite est de 0,05 m3/s. C’est pourquoi nous choisissons un tel débit pour la pompe.
 
Après simulation sur 24h, voici un exemple d’histogramme de la hauteur d'eau dans une chambre de collecte fourni par le logiciel :
 

Figure 7. Histogramme de la hauteur d'eau dans une chambre de collecte. Source: CANOE

Sur cet histogramme, nous observons que la chambre se remplie et se vide. Sachant que la chambre se vide très rapidement, nous pouvons faire l’hypothèse que le remplissage de la chambre pendant la vidange est négligeable. Nous savons ainsi exactement quel volume d’eau usée passe par la pompe et à quel débit. Il nous reste à adapter le volume de la chambre afin d’avoir 50 vidanges au cours de la journée. 
 
 
 
 

3. Création du réseau de l'île


Figure 3. Schéma du système de chmabre de collecte. Source: Personnelle

 
Voici les caractéristiques de nos différents points, tronçons et bassins versants pour la simulation du réseau de l'île.
 
Coordonnées des noeuds:
 
Afin de mettre en place un réseau, il nous faut des coordonnées de noeuds pour ensuite ajouter des tronçons et des bassins versants. Nous avons repris ces coordonnées à partir de la cartographie située dans la partie recueil de données.
 
Tableau 1. Récapitulatif des coordonnées des noeuds sur CANOE. Source: CANOE
 
 
Nous avons fait les hypothèses suivantes pour notre modélisation :
- 

Les branches sont symétriques

- 

Les arcs de cercle sont considérés comme des droites

 
Caractéristiques des tronçons associés:
Tableau 2. Récapitulatif des caractéristiques des tronçons sur CANOE. Source: CANOE
 
 
Caractéristiques des bassins versants:
 
Les bassins versant servent à quantifier le nombre d'habitants sur une branche de l'île. Leurs surfaces, ainsi que le plus long parcours, ont été calculé avec la cartographie dans la partie recueil de données.
 Tableau 3. Récapitulatif des caractéristiques des bassins versants sur CANOE. Source: CANOE
 
Voici le rendu graphique final sur le logiciel CANOE:
 
Figure 8. Rendu graphique de la modélisation du réseau sous CANOE. Source: CANOE
 
 
 
 

4. Simulation du réseau central de l'île


Figure 3. Schéma du système de chmabre de collecte. Source: Personnelle

 
Le centre de l'île représente les "16 palmes" avec une liaison centrale. On ne simulera pas le tronc et le croissant dans cette partie. En effet, nous avons choisi d'appuyer notre étude sur la partie centrale de l'île puisque c'est la plus sensible vis à vis des liaisons entre les canalisations. Le réseau est mis en place pour 23 000 personnes.
Pour la simulation, nous ajoutons les chambres de collectes et deux bassins de retenues (en vert sur la figure suivante) :
 
Figure 9. Rendu graphique de la modélisation du réseau centrale sous CANOE. Source: CANOE
 
Nous observons, sur ce schéma, 16 bassins versants (dont 7 paires). Puisque nous ne pouvons pas simuler véritablement le réseau sous vide, nous allons donc seulement étudier les entrées-sorties de ce réseau et vérifier qu’il n’y a pas de problème dans les flux intérieurs. Pour faire cette étude, nous avons ajouté deux bassins de retenue au milieu et à la racine de ces palmes pour récupérer toutes les eaux usées. Les flux à l’intérieur du système ne représentent pas la réalité. En effet, il y a de l’eau stagnante dans notre réseau et  l’ajout de pompe est très problématique. Nous allons donc quantifier ce qui sort des « chambres de collecte », modélisées par des bassins de retenue, pour mesurer les hauteurs d'eaux dans les chambres de collectes ainsi que le volume d’eaux usées stockées dans les bassins de retenue. Nous avons défini un bassin versant sur la liaison centrale (tronçon vertical qui relie tous les autres bassins versants) mais nous ne pouvons pas ajouter de chambre de collecte dans ce cas, nous avons donc fait des hypothèses sur cette dernière.
 
Pour  la simulation, nous avons utilisé la méthode de Barré de St Venant. La durée de simulation est de 72 heures. Cela nous permet d’avoir des données périodiques pour pouvoir choisir les 24h d’observations adéquates. Nous choisissons d’étudier le système entre l’heure 39 et l’heure 63.
 
3.1. Etat des bassins de retentions après simulation
 
Voici l'histogramme obtenu pour un des deux bassins de retention apres la simulation :
 
Figure 10. Histogramme résultat d'un bassin de retenue. Source: CANOE
 

Le volume est choisi de façon que le bassin ne soit jamais rempli en fin de simulation. Nous pouvons donc facilement calculer le volume d’eaux usées récupéré pendant les 24h d’observations.

 Tableau 4 : Calcul de volume d'eaux usées récupéré . Source: Personnelle


 Pour 24h de mise en marche, nous récupérons donc environ 6630 m3 d'eaux usées.
 
3.2. Etat des chambres de collecte après simulation.
 
Voici un exemple de diagramme obtenu pour une chambre de collecte après simulation :
 
Figure 11 : Histogramme résultat d'une chambre de collecte. Source: CANOE
 
Pour chaque chambre de collecte, nous allons pouvoir observer le volume sortant ainsi que le temps de marche de chaque pompe. Dans le tableau suivant sont répertoriés, pour chaque bassin versant, le nombre de vidanges, le temps moyen de vidange, la surface du bassin versant et le volume total vidangé. On remarquera que les bassins allant par paire sont identiques vis-à-vis de toutes ces données. Le temps de vidange est mesuré avec une autre simulation qui doit être faite avec un pas de temps plus fin. En effet, pour compter le nombre de vidange, un pas de temps de 5 minutes suffit. Néanmoins, pour visualiser la vidange complète, il faut un pas de temps de 1 minute.
 Tableau 5.  Calcul du volume d'eaux usées total provenant des vidanges et comparaison entre le calcul par les hauteurs d'eau et le calcul par les pompes . Source: Personnelle
 
 
Observations :
 
Malgré une méthode d’observation quasi-identique et sur un même système, les valeurs de volume calculées ( par les hauteurs d'eau et par les pompes) sont très différentes. Cela est dû en particulier au manque de précision pour observer les différents temps de vidange. La valeur du « volume vidangé avec la pompe » semble donc plus fiable vis-à-vis du seul calcul Si nous calculons maintenant le volume total vidangé sur tout le centre de  l’île, nous trouvons un volume de 4606m pour le calcul par rapport à la hauteur d’eau  et 6206 m3 pour le calcul par rapport aux pompes.
 
En comparaison du volume récupéré dans les bassins de retenue, la valeur calculée avec le fonctionnement des pompes semble la plus proche. Il ya toujours le problème de l’eau stagnante dans les conduites. Si nous considérons tout de même notre système comme fermé, le volume sortant des chambres de collectes doit être égal au volume entrant dans les bassins de retenue. Nous choisirons donc plutôt le volume fourni par le calcul de pompe pour la suite.
 
 
 
 
  

5. Approximations pour la simulation du reste de l'île


 
Il  nous reste  à simuler le croissant autour du palmier et le tronc du palmier. La simulation devient moins cohérente car nous ne savons pas exactement quel système est utilisé pour le reste de l’île. L’entreprise ROEDIGER précise qu’il s’agit d’un système gravitaire/ pompe car la densité de population est très élevée. Nous ne simulerons pas ce réseau sous CANOE mais nous pouvons faire des approximations vis-à-vis  du volume d’eaux usées récupéré. Selon les données de population, il y a 31300 personnes sur le croissant et 15700 personnes sur le tronc. Nous utiliserons seulement la donnée de consommation de 280 l/jour/habitant pour calculer le volume d’eaux usées récupéré par jour.  Il faut donc rajouter les volumes de  8764 m3/jour et 4396 m3/jour pour le croissant et le tronc respectivement.
 
 
 

6. Production de polluant lors d'un évènement pluvieux


 
Après avoir étudié le réseau d'eaux usées, nous devions étudier celui des eaux pluviales puisque le réseau d'assainissement est défini comme séparatif. Seulement, le réseau de récolte des eaux pluviales est inexistant sur l'île à notre connaissance. Nous allons donc voir l'impact d'un évènement pluvieux particulier sur la production de polluant.

6.1. Choix de l'évènement pluvieux

Puisque la pluviométrie est faible sur les Emirats Arabes, nous avons choisi un évènement pluvieux exceptionnel : le 15 janvier 2008, où 52 mm d’eau se sont écoulés sur Palm Jumeirah.

Cette île ayant une surface de 558 ha (5 582 983 m²), nous pouvons dire que 290 315 m3 d’eau sont tombés sur les routes et toitures de l’île. Ces infrastructures sont chargées de matières en suspension (MES) oxydables, de métaux, et d’hydrocarbures.

6.2. Détermination des polluants

En fonction des données recueillies sur les pluies et les polluants, nous pouvons dire qu’il existe deux sources de pollution des eaux pluviales :
- pollution par les toitures (toiture en tuile pour l'île de Dubaï)
- pollution par les chaussées
 
Cette pollution peut-être sous forme liquide (matière soluble) ou dans les matières en suspension.
 
Les tableaux suivants récapitulent la concentration de polluant produite dans le cas des toitures et des chaussées :

-     polluants dus aux toitures :

Tableau 6 : Polluants créés lors du contact de l'eau de pluie avec les toitures.

 
-     polluants dus à la chaussée :

 Tableau 7 : Polluants créés lors du contact de l'eau de pluie avec les chaussées.

 
Pour ces deux tableaux, on remarque une concentration en polluant sous forme soluble et une concentration en polluant sous forme particulaire.Nous retiendrons, dans notre cas,  la moyenne de ces concentrations (valeurs en rouge).

Après avoir récolté ces informations, nous allons déterminé le taux de polluant produit sur l'île et pour l'évènement du 15 janvier 2008.

6.3. Production des eaux polluées sur Palm Jumeirah le 15 janvier 2008.

-     calcul du volume d'eau tombé sur les toitures et chaussées
Nous allons maintenant appliqué les concentrations trouvées précédemment au cas de Palm Jumeirah le 15 Janvier 2008. Pour cela, nous calculerons la surface totale de toitures et de chaussée en prenant l'hypothèse que 30% de la surface de l'île est occupé par les toitures et 20% par la voirie. Avec les 52 mm d'eau tombés, nous pouvons par la suite calculer le volume d'eau s'écoulant sur les toitures et la chaussée. Ces valeurs sont récapitulées dans le tableau ci-dessous.

Tableau 8 : Récapitulatifs des surfaces et volume d'eau tombés sur les toitures et la chaussée. Source personnelle.

 
-     calcul du taux de polluant sur l'ensemble de l'île
En regroupant les informations précédentes, nous pouvons calculé la quantité de polluants produit lors de l'évènement particulier.
 Tableau 9 : Quantité de polluants produit sur l'ensemble de l'île. Source personnelle.
Les polluants les plus présents sont le zinc, le plomb et les hydrocarbures. Ce sont ces polluants qui représenteront un danger pour l'écosystème marin.
 
-     calcul de la quantité de polluant sur les bassins versant de l'île
Pour plus de précision, nous avons déterminé la quantité de polluant pour chaque bassin versant de l'île. Ces calculs vont nous permettre de voir, par la suite, où les polluants sont susceptibles de se déplacer dans l'enceinte de l'île grâce au binôme n°1 traitant des transports de matières.
 

Figure 12 : Schéma de l'île avec ses bassins versants. Source personnelle.

Tableau 10 : Quantité de polluant produit par chaque bassin versant. Source personellle.
 
Ces données représentent la pollution créée par le contact de l'eau avec les toitures ainsi que les chaussées. Elles vont permettre au binôme n°1 de voir l'évolution d'un polluant dans le milieu marin.
 
Tous les calculs présentés ci-dessus font partis d'une feuille Excel accessible avec le lien ci-contre : Calcul Excel des polluants

6.4. Influence des polluants sur l'écosystème
 
-      Pollution directe due au tourisme de luxe
Les touristes et les stations balnéaires déversent dans la mer de nombreux rejets comme les sacs plastique, canettes ... .
 
Cette pollution a des conséquences graves sur la faune et la flore. Les côtes et les plages sont salies. Les mammifères marins et les poissons peuvent ingérer des sacs et des papiers à la place de leur nourriture ce qui peut entraîner un étouffement .

Le tourisme de Dubaï entraînera donc le rejet direct de déchets par les habitants de Palm Jumeirah. Cette pollution sera d’autant visibles que l’île de Palm Jumeirah est entourée par un remblai : les eaux de Palm Jumeirah peuvent être considérées comme un lagon c'est-à-dire à un espace fermé où stagnera et s’accumulera la pollution.

-     Pollution par les métaux et hydrocarbures
Dans le paragraphe 6.3., nous avons remarqué que, lors d’une forte pluie, les métaux et hydrocarbures étaient produits en grande quantité. Il est vrai que cette quantité devrait se répartir et se dissoudre dans le golfe Persique. Cependant, le remblai empêchant la circulation des eaux, la plupart des métaux et des hydrocarbures produits se stockeront au sein de l’île.
Nous pourrons alors observer des effets néfastes sur l’écosystème marin (la faune et la flore) comme par exemple :
o    Sur les coraux
o    Sur les algues
o    Sur les poissons
o    Sur les mammifères
 
A cause de cette pollution les écologistes s'inquiètent pour l'écosystème de Palm Island. En effet, l'article de Futura Science écrit par Jean Etienne le 09/07/2007 en dit long ...
 

 


 

 
 
 
 

7. Conclusions


Figure 3. Schéma du système de chmabre de collecte. Source: Personnelle

 
Cette partie nous a permis de construire le réseau d'assainissement des eaux usées grâce au logiciel CANOE. Cette modélisation nous a permis de calculer précisément le volume d'eaux usées produit pendant une journée pour la partie centrale de l'île. Par approximation, nous avons également pu déterminer ce volume pour le reste de l'île (le tronc et le croissant). En ajoutant les volumes d'eaux usées trouvés dans chacun des cas, nous trouvons un volume total d'environ 20000 m3 par jour.

De plus, le réseau de récolte des eaux pluviales étant absent, nous avons étudié l'impact d'un évènement pluvieux particulier sur l'environnement. La pluie se charge en métaux et en hydrocarbures se qui laisse supposer que cette pollution s'accumule dans au sein de l'île (entre les palmes et le croissant) et nuit ainsi à l'écosystème marin.

Après avoir décrit le transport des eaux pluviales et des eaux usées, nous allons nous atteler à la récupération des eaux usées et son traitement. Nous pouvons donc à présent dimensionner une station d'épuration grâce au volume trouvé précédemment ainsi que les données provenant du recueil. Le chapitre suivant "Dimensionnement d'une station d'épuration" est consacré à ce dimensionnement.
 
 
 
 

 

 

8. Bibliographie


 
  •  Réseau d'assainissement sous-vide
 
1.  ROEDIGER VACUUM, Vacuum Sewerage System for Palm Jumeirah, Dubai, Document PDF .
2.  ROEDIGER VACUUM, Assainissement Sous Vide RoevAC, Document PDF de Novembre 2008.
 
  • Impact de la pollution pluviale sur l'environnement
 
4. Site sur l'effet des métaux lourds sur l'environnement. URL : http://www.senat.fr/rap/l00-261/l00-261.html
5. Site sur l'effet des polluants sur les récifs coraliens. URL : http://www.techrecif.com/spip.php?article278