Présentation du logiciel CANOE

  • Présentation générale du logiciel

Le Laboratoire de Génie Civil et d'Ingénierie Environnementale (LGCIE) de l'INSA Lyon présente le logiciel CANOE comme suit :

CANOE est un progiciel conçu en France, par le LGCIE de l’INSA de Lyon et la société SOGREAH, avec l’aide d’un groupe de partenaires constitué de grandes collectivités françaises. Ce partenariat assure un développement continu et adapté aux besoins des utilisateurs.

CANOE est un logiciel multi-usages. Basé sur un système de gestion de données, son objectif est de fournir un système unique utilisable pour un grand nombre de tâches telles que le dimensionnement de réseaux d’assainissement jusqu’en phase APS (Avant-Projet Sommaire), les études diagnostics ou la simulation de rejets polluants.

- base de données internes de pluies, de type de conduites,
- gestion de projet et d’ouvrage à l’aide du SIG intégré,
- transformation pluie-débit,
- simulation hydraulique (Muskingum ou Barré de Saint Venant),
- convection, diffusion et réaction de polluant dans le réseau,
- régulation des ouvrages.

Simple à utiliser, même pour des non spécialistes en hydraulique, il permet de faciliter le dialogue entre les différents interlocuteurs : projeteurs, modélisateurs ou décideurs.

Son interface, adaptée aux besoins des utilisateurs, lui assure fiabilité et pertinence, aussi bien dans la nature des données à saisir que dans les types de résultats obtenus.

Son module SIG et ses outils d’échanges permettent d’assurer une interopérabilité avec les autres outils informatiques.

 

  • Equations résolues

Les équations résolues par le logiciel CANOE sont les équations de Barré de Saint-Venant. Ces équations sont normalement destinées à traiter les écoulements à surface libre alors que dans les réseaux d’assainissement, les écoulements peuvent également se produire en charge. Bien que du point de vue de la mécanique, ces écoulements en charge soient plus simples à représenter que les écoulements à surface libre, il est difficile de modéliser la partie du réseau qui se met en charge (les zones en charges évoluent spatialement et temporellement).

Pour résoudre ce problème, CANOE utilise un artifice de calcul connu sous le nom de fente de Preismann. Pour plus de détails, voir l'aide en ligne de CANOE.

Ces équations de Barré de Saint-Venant sont constituées de :

- l'équation de continuité qui exprime la conservation de la masse de fluide :

$\LARGE{  \frac{1}{B} \frac{\partial Q}{\partial x} + \frac{\partial Y}{\partial t} = 0 }$

- l'équation dynamique qui exprime l'équilibre entre les forces motrices (pente et inertie) et les forces résistantes de frottement :

$\LARGE{\frac{\partial V}{\partial t} + \frac{\alpha}{2} \frac {\partial V^2}{\partial x}+\large{g} \LARGE{\frac{\partial Y}{\partial x}+} \large{g K V \mid V\mid} = 0} $

avec :
x : abscisse longitudinale (m) ;
t : temps (s) ;
Y(x,t) : cote de la surface libre (m) ;
V(x,t) : vitesse moyenne de l'écoulement (m2/s) ;
Q(x,t) : débit (m3/s) ;
B(x,Y) : largeur miroir (m) ;
g : accélération due à la pesanteur (m/s2) ;
alpha : coefficient de répartition des vitesses (sans dimension) ;
K : coefficient de perte de charge (s2/m2).

  • Exemple de prise en main

Nous allons effectuer ici un exemple de simulation du comportement d'un réseau sous CANOE.

Création d'une bibliothèque des pluies

Il faut, dans un premier temps, créer les pluies pour lesquelles le comportement du réseau va être simulé. Pour cela on crée une bibliothèque associée au projet dans laquelle il est possible de définir plusieurs pluies en créant des pluies ponctuelles. Ces dernières peuvent être de différents types : pluie réelle ou pluie de projet.

Dans notre étude, nous avons utilisé principalement des pluies de projet symétriques, c'est-à-dire des pluies fictives définies par un hyétogramme synthétique et statistiquement équivalent aux pluies réelles, dont le pic d'intensité est situé à la moitié de la durée de l'averse. On leur affecte une période de retour qui est l’intervalle de temps moyen séparant deux occurrences d’un événement donné. La pluie de projet vise ainsi à représenter, par un événement unique, les caractéristiques d'une pluviométrie locale qui affecte le réseau d'assainissement étudié.

Pour créer ces pluies de projet, il faut connaître les coefficients de Montana a et b qui définissent l'intensité des précipitations selon l'équation :

$\large{i=a\times t^b}$

Pour l'exemple, nous allons créer une pluie biennale (temps de retour 2 ans) dans la région toulousaine. Nous ne disposerons donc que d'une pluie dans notre bibliothèque. D'après la carte ci-dessous, permettant la définition des coefficients de Montana, Toulouse se situe dans la région 2 :

Carte des régions pour la détermination des coefficients de Montana.
Source : www.enpc.fr

Les coefficients de Montana pour les différentes régions et les différents temps de retour sont les suivants :

Période de retour Région 1 Région 2 Région 3
a b a b a b
10 ans 5,9 -0,59 6,7 -0,55 6,1 -0,44
5 ans 5,0 -0,61 5,5 -0,57 5,9 -0,51
2 ans 3,7 -0,62 4,6 -0,62 5,0 -0,54
1 an 3,1 -0,64 3,5 -0,62 3,8 -0,53

Pour une pluie biennale dans la région toulousaine, les coefficients a et b sont donc 4,6 et -0,62. En jouant sur la durée de la pluie intense, on définit la durée totale de l'averse que l'on modélise. En supposant que la durée de la pluie intense est de 15 min, l'averse totale dure 150 min et on a alors le hyétogramme suivant qui est défini automatiquement par le logiciel :

Hyétogramme de la pluie biennale créée

 

Création d'une bibliothèque des conduites

Dans un second temps, on crée une bibliothèque de conduites associée au projet dans laquelle on définit chaque type de conduite que l'on va utiliser par la suite. Il est possible de choisir le type de la conduite, c'est-à-dire la forme de sa section, le matériau utilisé pour sa construction et sa rugosité.

Dans notre exemple on définit un type de conduite circulaire de diamètre 1000 mm en béton (rugosité 75).

Création des nœuds

On passe maintenant à l'applicatif de gestion de données structurelles. On crée d'abord des nœuds qui vont définir les exutoires des bassins versants, mais aussi les débuts et fins des tronçons de conduites que l'on va définir.

Dans notre exemple, nous ne créerons que deux points.

Il faut alors rentrer pour chacun des points les informations suivantes :

  • coordonnées x et y
  • la côte au sol, c'est-à-dire l'altitude du sol à ce point
  • la côte au radier, c'est-à-dire l'altitude du bas de l'intérieur de la conduite à ce point

La profondeur est alors calculée automatiquement.

Création des tronçons

Les tronçons peuvent alors être définis entre deux points. On choisit alors le point à l'amont de la conduite et celui à l'aval. La pente de la conduite est alors automatiquement calculée en prenant la distance entre les points par l'intermédiaire de leurs coordonnées et en prenant la différence d'altitudes par l'intermédiaire des côtes radier.

On peut également choisir le type de la conduite de ce tronçon parmi les conduites définies dans la bibliothèque.

Création des bassins versants

On crée maintenant un bassin versant qui va alimenter les conduites par temps de pluie. Pour cela, il faut définir les éléments suivants :

  • le nœud de rattachement du bassin versant, c'est-à-dire le nœud correspondant à l'exutoire de ce bassin versant
  • sa superficie
  • le plus long parcours de l'eau sur ce bassin
  • la côte amont du bassin versant
  • sa côte aval (prise égale par défaut à la côte au sol du nœud de rattachement)
  • le type du bassin versant, c'est-à-dire son degré d'urbanisation
  • son type de raccordement, c'est-à-dire le type d'eau qui circule dans les conduites (pluviales, usées,...)
  • le coefficient d'imperméabilisation de la chaussée
  • la partie du ruissellement qui est directement raccordé au réseau et celle qui ne l'est pas
  • les pertes initiales
  • le pourcentage d'infiltration
  • le modèle de bassin versant choisi (urbain strict, urbain et urbain modifié, urbain et rural)

Simulation

Nous passons maintenant à l'applicatif de simulation hydrologique et hydraulique où il faut commencer par définir les paramètres de pluie (choix de la pluie et de la durée de la simulation). On choisit ensuite dans les paramètres les pas d'espace et de temps pour la simulation de Barré de Saint-Venant. Ces derniers doivent être du même ordre de grandeur lorsqu'ils sont exprimés respectivement en mètres et en secondes.

On peut alors lancer la simulation de Barré de Saint-Venant. En sortie, on a un diagramme permettant de visualiser la répartition de l'eau entrée dans le réseau entre les débordements, l'eau arrivée à l'exutoire, l'eau stockée s'il y a des bassins de rétention, et les écarts numériques volumiques. On peut également observer les débits et vitesses dans le réseau pour savoir si les canalisations ont été soumises à un effort important engendrant des usures prématurées. Enfin, on peut visualiser l'écoulement de l'eau suivant une ligne d'eau par différents nœuds.

 

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