Binôme 2 : Etude d'un réseau assainissement

Informations générales

   Nous étudierons dans cette partie le réseau d'assainissement des communes de Err, Llo, Saillagouse et Estavar. Il est important de préciser que la régie de la Haute Vallée du Sègre souhaite gérer la nouvelle station d'épuration par elle même. Notre principal objectif sera donc de réaliser un réseau simple. Les contraintes qui nous sont donc imposées sont un réseau gravitaire et l'utilisation du moins de postes de relevage possible. En effet, l'implantation d'un poste de relevage complique le réseau et augmente les coûts d'installation. Plus le débit transitant par la pompe sera important plus les prix seront élevés.

   De plus, comme il a été dit précédemment, le réseau est séparatif. Cela signifie que le réseau de traitement des eaux usées et celui des eaux de pluie sont différents. Cependant, des eaux parasites ont été repérées dans le réseau des eaux usées. Il s’agit d'intrusions d'eaux pluviales dans le réseau d'assainissement qui peuvent avoir plusieurs origines : des branchements incorrects et illégaux de gouttières, de descentes de garage, de grilles de cour ... Ces eaux supplémentaires viennent alors gonfler les débits transitant par le réseau d'assainissement. Cela entraîne une surcharge des postes de relèvements et donc une augmentation des durées de pompage et de la consommation d'énergie mais aussi une usure mécanique prématurée des équipements provoquée par l'agressivité des effluents.

   Nous étudierons dans un premier temps, pour les deux emplacements présentés dans la première partie, le trajet des canalisations. Nous devrons pour cela prendre en compte la configuration du terrain, particulière dans cette région montagneuse. Nous relèverons dans ce but l'altitude de certains points du réseau afin d'être en mesure de tracer un réseau gravitaire. De plus, le réseau devra suivre les chemins communaux et traverser le moins de terrains possible afin de limiter les coûts lors de la phase de construction. Le logiciel de dessin Autocad nous permettra de tracer les trajets possible et d'en discuter les avantages et les inconvénients.

   Dans un second temps, nous chercherons à modéliser l'écoulement des eaux usées dans le réseau. Nous aurons recours pour cela au logiciel Canoe. Nous commencerons par présenter brièvement ce logiciel. Nous traiterons ensuite les données fournies par la régie afin de déterminer les débits journaliers et horaires d'eaux usées en sortie des différentes communes. Notre modélisation sera réalisée sur le mois d'août, mois pour lequel la population est la plus importante dans la vallée. Nous simulerons enfin plusieurs scénari et nous concluerons sur le dimensionnement des canalisations. Notre méthodologie sera expliquée plus précisément dans une sous partie.

   Enfin, nous nous attacherons à étudier l'état du réseau, en particulier l'âge des canalisations, et à repérer celles devant être changées afin d'améliorer le fonctionnement du réseau. Nous tacherons de déterminer les tâches à effectuer pour remplacer les canalisations ainsi que d'en chiffrer l'exécution.

 

Dessin sous Autocad

Dessin sous Autocad   

Dans cette première partie, nous utiliserons le logiciel Autocad. C'est un logiciel de dessin qui nous permettra de tracer et de visualiser le réseau d'assainissement ainsi que les différentes options possibles. 

Nous commençons tout d'abord par visualiser le réseau d'assainissement existant actuellement dans son ensemble soit avec les 4 communes concernées : Llo, Err, Saillagouse et Estavar. L'image ci-dessous, ainsi que toutes les images présentes sur le site, peut être agrandie si l'on clique dessus.

Source : Autocad

Nous plaçons ensuite sur cette carte les deux emplacements possible pour la nouvelle station d'épuration. Nous cherchons aussi l'altitude de plusieurs points importants. La carte ci-dessous représente un zoom de celle de l'ensemble du réseau au niveau de la commune d'Estavar, commune sur laquelle sera implantée la nouvelle station d'épuration. Les emplacements sont représentés par des carrés de couleur bleu/vert. Nous pouvons aussi voir l'emplacement de l'ancienne station aujourd'hui désaffectée.

Source : Autocad

  Nous allons à présent étudier plus précisément chaque emplacement séparément afin de décider si l'implantation d'un réseau gravitaire est possible ainsi que du meilleur trajet pour les canalisations.

 

Emplacement P1 :

 

Source : Autocad

   Les altitudes, en bleu clair sur la carte ci-dessus, que nous avons relevées sur le terrain à l'aide d'un altimètre, nous permettent de remarquer que la parcelle sur laquelle serait placée la station est plate. Il est donc possible de raccorder le réseau existant à la station en ne rajoutant qu'une simple canalisation à travers cette parcelle. La maison au Nord Ouest étant située à plus haute altitude que la future station, elle peut être raccordée à celle-ci grâce à une simple canalisation en gravitaire.

   De plus, il suffirait, pour les rejets, de repiquer dans les canalisations existantes allant vers l'ancienne STEP dont le réseau est déjà construit en gravitaire. Il est de plus possible d'effectuer les rejets en territoire français ce qui est d'importance capitale dans cette zone transfrontalière.

   Pour cet emplacement, il n'est pas nécessaire de rajouter beaucoup de nouvelles canalisations. Cependant, le terrain sur lequel la construction de la nouvelle station est prévue est un terrain constructible et donc cher à l'achat. Il s'agira alors, lors de la comparaison des deux emplacements possibles, de prendre en compte le prix d'achat des terrains nécessaires à la construction ainsi que celui d'installation des nouvelles canalisations. La canalisation de couleur magenta reliant la maison isolée à l'ancienne STEP devient alors inutile.

 

Emplacement P2 :

 

Source : Autocad

   Le réseau nécessaire pour l'implantation de cette station est légèrement plus compliqué. En effet, nous devons rabattre le réseau principal venant de Saillagouse ainsi que celui du Nord d'Estavar à l'Est de l'Angoust puis le long des chemins communaux jusqu'à l'emplacement de la nouvelle station d'épuration.

   Au niveau du point d'altitude 1217m, il y a un pont qui amenait jusqu'à présent le réseau principal de l'Est vers l'Ouest. Il sera nécessaire d'inverser la pente de la canalisation traversant ce pont afin de rabattre le réseau d'Estavar (à l'ouest) dans le réseau principal (à l'est).

   Les altitudes relevées sur le terrain, en bleu sur la carte, nous permettent de voir que les canalisations du réseau principal peuvent suivre les chemins communaux tout en restant en gravitaire jusqu'à l'emplacement qui nous intéresse.

   Pour la partie basse du réseau de la commune d'Estavar ainsi que pour les deux maisons isolées, nous devons construire une nouvelle canalisation. La canalisation existante (en rouge) permet de collecter les eaux usées des maisons de la partie basse de la commune. Les deux maisons isolées peuvent être raccordées à cette canalisation par du gravitaire et rejoindre celle-ci au niveau du point d'altitude 1212 m (intersection entre les canalisations rouge et bleu sur la carte). La canalisation devra alors rejoindre la station en traversant la parcelle n°402 puis l'Angoust grâce à un pont qui devra être construit. Les altitudes prises sur le terrain prouvent que cette traversée est possible en gravitaire. De plus, il existe déjà un pont semblable servant à transporter les eaux usées du camping installé le long du Sègre vers la station d'épuration actuellement en fonctionnement. Les deux canalisations se rejoindraient alors à l'est de l'Angoust en un point d'altitude 1211 m. La station étant installée à 1210m d'altitude, l'utilisation d'un réseau gravitaire est ici possible.

  Pour cet emplacement, les rejets pourront être effectués dans le Sègre, en territoire français. Le lit du Sègre étant situé à une altitude inférieure à celle de la station, il est donc possible d'effectuer les rejets grâce à une simple canalisation. Les canalisations de couleur magenta deviennent alors inutiles.

 

 

   Finalement, les deux emplacements permettent l'utilisation d'un réseau gravitaire sans point de relevage. Pour le dernier emplacement, le nombre de canalisations à rajouter est beaucoup plus important que dans le cas précédant. Cependant, la station est installée sur un terrain agricole dont le prix de rachat est beaucoup plus faible que dans le cas précédant. Il s'agira alors de comparer le coût d'installation d'une station d'épuration pour chaque emplacement en tenant compte du prix de construction des canalisations ainsi que de celui du rachat et de l'entretien du terrain.

Présentation de CANOE

Logiciel CANOE 

Canoe est un logiciel français permettant de modéliser des réseaux d'assainissement. Il est simple d'utilisation et son interface est très intuitive. Il contient une base de données internes de pluies et de types de canalisations et présente différents types de simulations (Muskingum, Barré de Saint Venant ...).

   Dans notre étude, nous utiliserons la simulation de type Barré de Saint Venant. Les équations résolues sont celles de Saint Venant, elle sont destinées à traiter des écoulements à surface libre. Dans les réseaux d’assainissement, les écoulements peuvent également se produire en charge cependant, dans notre cas, nous n'utiliserons que du gravitaire. Les équations résolues sont donc les suivantes:

L'équation de continuité qui exprime la conservation de la masse du fluide :

L'équation dynamique :

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);

α​ : coefficient de répartition des vitesses (sans dimension);

K : coefficient de perte de charge (s2/m2).

 

Cette deuxième équation est écrite en fonction du débit sous la forme:

avec:

A(x,Y) : section de l'écoulement

D(x,Y) : débitance

 

 

Afin de faciliter l'utilisation de Canoe, voilà un exemple de prise en main du logiciel. Nous présentons ici les outils dont nous aurons besoin lors de nos simulations.

Création d'une bibliothèque des conduites :

Dans cette bibliothèque, nous définissons toutes les conduites qui seront utilisées dans la suite du projet. Nous pouvons choisir le matériau de la conduite, sa forme, sa rugosité ainsi que son diamètre. Dans notre projet, nous utiliserons des canalisations en béton de coefficient de Strickler 75 et de diamètre 200 ou 300 mm.

 

Source : Canoe

 

Création du réseau :

Les noeuds :

Pour créer le réseau d'assainissement, nous commençons par placer les points correspondant aux villages. Nous créons et modifions les noeuds grâce aux commandes suivantes:

Lors de la création d'un point, nous pouvons choisir son nom, ses coordonnées X et Y ainsi que l'altitude du sol et celle du radier.

 

Source : Canoe

 

Les conduites :

Nous devons ensuite relier les points entre eux en construisant les canalisations. Elles sont créées et modifiées avec l'icône suivant :

Lors de leur création, nous devons définir les noeuds amont et aval ainsi que la hauteur de chute si elle existe. Cela permet de définir la profondeur à laquelle sont enterrées les canalisations. Nous choisissons aussi le type de canalisation (défini dans la bibliothèque) et sa rugosité.

 

Source : Canoe

 

 

Création d'un histogramme :

Dans notre projet nous allons utiliser des histogrammes afin de définir les variations dans le temps des débits d'eaux usées dans les canalisations. Nous pouvons nommer les histogrammes, définir la valeur du pas de temps ainsi que le nombre de pas de temps. Si nous choisissons un histogramme journalier, le pas de temps est automatiquement fixé à 60 minutes et le nombre de pas de temps à 24.

Voici un exemple d'histogramme avec 365 pas de temps de 1440 minutes soit un jour chacun. Ici, nous avons aussi défini la date de départ de l'histogramme. Cela permettra dans un second temps de démarrer la simulation au pas de temps souhaité.

 

Histrogramme de 365 pas de temps de 1440 minutes

Source : Canoe

 

Le réseau est maintenant fini. Nous pouvons le voir sur la figure ci-dessous. Nous pouvons alors préparer le lancement des simulations. Nous passons en mode simulation avec le bouton . Pour revenir au mode construction, nous utilisons le bouton .

 

Réseau d'exemple

Source : Canoe

 

Lancement d'une simulation de Saint Venant :

   Avant de lancer une simulation, il faut commencer par définir les paramètres de pluie ainsi que la durée de la simulation. Nous choisissons ensuite dans l'onglet paramètres de Saint Venant les pas d'espace et de temps. Nous pouvons alors lancer la simulation de Barré de Saint Venant. En sortie nous pouvons observer la quantité d'eau arrivée à l'exutoire, ainsi que les débits et vitesses dans le réseau. Cela permet de déterminer si les canalisations sont soumises à des efforts trop importants pouvant engendrer des usures prématurées. Nous nous servirons essentiellement par la suite des représentations sous forme de ligne d'eau. Elles permettent de visualiser l'écoulement selon une coupe effectuée dans la profondeur du sol.

 

Traitement des données

Traitement des données   

Nous aurons besoin dans la suite de notre projet de données pour les débits des eaux usées dans les quatre communes concernées par la nouvelle STEP ainsi que de données pour les eaux parasites. Nous présentons ici la méthode de calcul que nous avons utilisée afin d'obtenir ces données.

 

Pour les eaux usées :

 

   Nous disposons de données de débits horaires en haute saison en 2008 fournies par la régie. A partir de ces données ainsi que de l'estimation de la hausse de la population réalisée dans l'avant projet, nous estimons les débits horaires en haute saison en 2030.

Ci-dessous, nous pouvons voir le bilan horaire (en m3/h) en haute saison en 2008:

HEURE ERR ESTAVAR LLO SAILLAGOUSE
01:00 2.158 10.35 1.76 5.61
02:00 2.172 10.35 1.82 4
03:00 2.549 10.26 1.31 3.78
04:00 5.634 9.24 0.67 3.4
05:00 6.535 7.17 0.48 3.34
06:00 7.759 9.33 0.52 6.16
07:00 9.156 10.04 0.66 9.22
08:00 11.970 13.22 1.44 18.51
09:00 12.851 12.21 2.66 15.29
10:00 15.228 10.54 3.03 14.08
11:00 14.327 9.57 3.43 14.05
12:00 10.692 9.18 2.87 11.92
13:00 8.408 9.78 2.47 8.6
14:00 7.183 9.69 2.04 8.6
15:00 6.283 10.26 2.38 7.8
16:00 5.542 8.15 1.85 7.75
17:00 6.422 7.12 2.01 8.49
18:00 7.759 7.17 2.16 7.9
19:00 11.811 7.90 2.72 10.52
20:00 16.764 8.63 3.87 11.14
21:00 10.500 10.47 2.81 14.81
22:00 6.760 10.39 2.68 14.51
23:00 5.489 11.74 1.86 15.38
24:00 4.860 10.47 2.22 12.61

Tableau 1 : Débits horaires (m3/h) en été 2008

Source : données fournies par la Régie de la Haute Vallée du Sègre

 

La population dans les communes est répartie comme expliqué dans le tableau suivant :

  Err Estavar Llo Saillagouse
Eté 2008 1744 1873 318 2979
Eté 2030 2929 3028 424 5211

Le bilan horaire en 2030 est donc le suivant:

  ERR ESTAVAR LLO SAILLAGOUSE
01:00 2.9 10.65 2.34 8.97
02:00 2.91 10.65 2.42 6.4
03:00 3.42 10.56 1.75 6.04
04:00 7.56 9.51 0.89 5.44
05:00 8.77 7.38 0.63 5.33
06:00 10.41 9.6 0.7 9.8
07:00 12.29 10.33 0.87 14.73
08:00 16.06 13.61 1.91 29.58
09:00 17.24 12.57 3.55 24.44
10:00 20.43 10.85 4.04 22.5
11:00 19.22 9.85 4.57 22.44
12:00 14.35 9.44 3.83 19.05
13:00 11.27 10.06 3.29 13.75
14:00 9.64 9.97 2.72 13.75
15:00 8.43 10.55 3.17 12.47
16:00 7.44 8.38 2.47 12.38
17:00 8.62 7.33 2.67 13.56
18:00 10.41 7.37 2.88 12.63
19:00 15.85 8.13 3.62 16.81
20:00 22.49 8.88 5.16 17.8
21:00 14.09 10.77 3.75 23.67
22:00 9.07 10.69 3.57 23.18
23:00 7.36 12.08 2.48 24.58
24:00 6.52 10.77 2.97 20.15

Tableau 2 : Débits horaires (m3/h) en été 2030

 

Pour les simulations que nous allons effectuer avec le logiciel Canoe, nous avons besoin des débits en m3/s. Voici les données que nous utiliserons par la suite.

HEURE ERR ESTAVAR LLO SAILLAGOUSE
01:00 0.0008 0.003 0.0007 0.0025
02:00 0.0008 0.003 0.0007 0.0018
03:00 0.001 0.0029 0.0005 0.0017
04:00 0.0021 0.0026 0.0002 0.0015
05:00 0.0024 0.002 0.0002 0.0015
06:00 0.0029 0.0027 0.0002 0.0027
07:00 0.0034 0.0029 0.0002 0.0041
08:00 0.0045 0.0038 0.0005 0.0082
09:00 0.0048 0.0035 0.001 0.0068
10:00 0.0057 0.003 0.0011 0.0062
11:00 0.0053 0.0027 0.0013 0.0062
12:00 0.004 0.0026 0.0011 0.0053
13:00 0.0031 0.0028 0.0009 0.0038
14:00 0.0027 0.0028 0.0008 0.0038
15:00 0.0023 0.0029 0.0009 0.0035
16:00 0.0021 0.0023 0.0007 0.0034
17:00 0.0024 0.002 0.0007 0.0038
18:00 0.0029 0.002 0.0008 0.0035
19:00 0.0044 0.0023 0.001 0.0047
20:00 0.0062 0.0025 0.0014 0.0049
21:00 0.0039 0.003 0.001 0.0066
22:00 0.0025 0.003 0.001 0.0064
23:00 0.002 0.0034 0.0007 0.0028
24:00 0.0018 0.003 0.0008 0.0056

Tableau 3 : Débits horaires (m3/s) en été 2030

 

Pour les eaux parasites :

 

   Pour les eaux parasites, nous utilisons la méthode de calcul présentée dans la partie Informations générales. Nous obtenons alors une quantité d'eaux parasites par jour sur tout le bassin versant. Dans nos simulations, nous prenons en compte les eaux parasites en les ajoutant aux histogrammes de débits d'eaux usées rejetées par les communes. Nous devons alors définir la quantité d'eaux usées apportée par chaque commune. Nous avons décidé de calculer ce pourcentage à partir de la population de chaque commune. En effet, la population est représentative du nombre de maisons dans chaque commune et donc, en supposant qu'une commune n'est pas plus apte à être branchée illégalement que les autres, nous pouvons en déduire la quantité d'eaux parasites apportée par chaque village.

Ainsi, Err et Estavar représentent respectivement 25% et 26% de l'apport en eaux parasites dans le réseau soit 91.85 et 95.52 m3/jour. Llo contribue quant à lui à hauteur de 4% soit 14.7 m3/jour. Finalement, Saillagouse reste, de par la taille du village, le plus gros pourcentage avec 45% d'eaux parasites entrantes dans le réseau soit 165.33 m3/jour.

 

   Lors de nos simulations, nous allons envisager deux hypothèses. Tout d'abord, nous simulerons une journée au cours de laquelle il a plu tout le temps. Nous devrons donc ajouter un débit d'eaux parasites aux débits d'eaux usées calculés précédemment. Ces débits d'appoint sont exprimés dans le tableau suivant :

  ERR ESTAVAR LLO SAILLAGOUSE
m3/h 3.83 3.98 0.61 6.89
m3/s 0.0011 0.0011 0.0002 0.0019

 

   Dans un deuxième temps, nous supposerons qu'il ne pleut que pendant 3 heures. De plus, afin de déceler les insuffisances potentielles du réseau, nous introduierons l'eau de pluie au moment le plus défavorable de la journée soit entre 8h et 11h du matin, période au cours de laquelle les débits d'eaux usées sont les plus importants. Les débits d'eaux usées seront alors modifiés en y ajoutant les valeurs suivantes :

  ERR ESTAVAR LLO SAILLAGOUSE
m3/h pendant 3h 30.62 31.84 4.9 55.11
m3/s 0.0085 0.0088 0.0014 0.0153

 

 

 

Simulations sous Canoe

Simulations sous CANOE  

Dans cette partie, nous présenterons les résultats de nos simulations. Nous allons effectuer deux types de réseau pour chaque emplacement: un réseau simple, les communes sont représentées par un unique point et les canalisations sont droites et relient directement une commune à la suivante, ainsi qu'un réseau plus complexe dans lequel nous prendrons en compte les variations de pente et de direction des canalisations.

   L'étude préalable réalisée sur le terrain ainsi que sur le logiciel AutoCad nous a montré qu'un réseau uniquement gravitaire est réalisable pour les deux emplacements. Nous avons commencé par collecter des informations auprès de la régie à propos du réseau exitant : emplacement, longueur et dimension des canalisations en place. Nous avons ensuite relevé les altitudes de points particulièrement intéressants pour notre modélisation en allant sur le terrain.

   Pour chaque réseau, nous effectuerons une modélisation d'une durée d'un jour au pas de temps horaire ainsi qu'une modélisation sur plusieurs jours. Nous séparerons à chaque fois les résultats avec et sans prise en considération des eaux parasites. Nous présenterons des images pour une simulation et nous résumerons ensuite les résultats dans un tableau afin de pouvoir comparer les différents cas. Nous terminerons cette partie en changeant la dimension des nouvelles canalisations afin de déterminer le diamètre idéal. Quelque soit l'emplacement considéré, nous ne modéliserons pas les canalisations reliant les maisons isolées. En effet, leur contribution sera négligeable par rapport au réseau principal.

 

 

Réseau simple

Réseau simple   

Nous présenterons dans cette partie les résultats de notre première modélisation. Cette modélisation est particulièrement simple. Chaque commune est représentée par un point unique et les canalisations relient les villages en ligne droite. Nous commencerons par présenter une rapide étude théorique. Dans une seconde partie, nous expliquerons la modélisation et nous présenterons les résultats des simulations.

 

Calcul des débits et des diamètres théoriques :

A l'aide de la formule de Manning-Strickler, nous pouvons connaitre la relation reliant le rayon hydraulique et le débit ou la vitesse. Les équations que nous utiliserons sont les suivantes :

 ​     et                    

avec

V : vitesse de l'écoulement,

Q : débit,

K : coefficient de Strickler,

Rh : rayon hydraulique de la conduite,

I : pente du tronçon.

Grâce à la connaissance du débit de pointe, nous pouvons calculer le rayon hydraulique et donc le diamètre théorique du tronçon. Le débit de pointe s'exprime par la relation suivante :

Qp= P*Q

où Q est le débit moyen dans la conduite et P le coefficient de pointe.

Le coefficient de pointe est donné par la formule suivante:

Les résultats des calculs sont présentés dans le tableau ci-dessous:

tronçon longueur pente Q(m3/s) P Qp D(m) Rh V(m/s) Q/Qp
Err-Saillagouse 2000 0.042 0.026 17 0.44 0.11 0.26 4.06 0.059
Estavar-Step 640 0.028 0.0908 4.12 0.89 0.19 0.19 4.66 0.1
Llo-Saillagouse 2500 0.048 0.0035 43.76 0.15 0.054 0.31 2.84 0.023
Saillagouse-Estavar 4100 0.012 0.067 11.16 0.75 0.22 0.43 3.39 0.09

  Les valeurs du tableau, nous permettent de dire que les diamètres des conduites seront d'environ 200 mm. Cependant, nous remarquons que la vitesse excède la limite de 3 m/s, vitesse au delà de laquelle les canalisations sont sujètes à une usure prématurée. Par conséquent, nous choisissons, pour notre modélisation, d'élargir à 200 mm le diamètre de la canalisation de Llo et à 300 mm celui des autres tronçons. Dans cette configuration, nous trouvons une vitesse comprise entre 0.77 et 2.97 m/s. Le réseau semble donc valable. Avec ces calculs théoriques nous retrouvons les diamètres des canalisations existantes sur le réseau actuel. Nous commencerons donc nos modélisations en choisissant un diamètre de 300 mm pour la canalisation reliant Estavar aux emplacements.

Résultats des simulations

  Résultats

  Le réseau que nous avons étudié ici est une schématisation très simplifiée du réseau réel. Chaque commune est représentée par un point d'altitude unique. Les canalisations représentées sont uniquement les canalisations principales reliant ces différents points. Ci-dessous sont représentés les réseau pour les deux emplacements étudiés.

 

Schéma du réseau pour l'emplacement P1

 

Schéma du réseau pour l'emplacement P2

 

Les altitudes des points représentés sont les suivantes :

Llo 1438 m
Err 1360 m
Saillagouse 1300 m
Estavar 1225 m
Emplacement P1 1212 m
Emplacement P2 1210 m

   

Les longueurs, diamètres et pentes des canalisations reliant les communes sont les suivants :

Tronçon longueur (m) diamètre (mm) pente (%)
Llo - Saillagouse 2600 200 5.3
Err - Saillagouse 2100 300 2.9
Saillagouse - Estavar 4500 300 1.6
Estavar - P1 640 300 5.6
Estavar - P2 500 300 3.2

   

Toutes les canalisations sont ici réalisées en béton avec en coefficient de rugosité de Strickler de 75. Elles sont toutes enterrées à 1 m de profondeur. Le dessin en coupe en partance de Err est représenté ci-dessous.

 

Coupe du réseau d'assainissement entre Err et l'emplacement P1

 

Coupe du réseau d'assainissement entre Err et l'emplacement P2

 

   Nous avons utilisé les données de débits horaires d'eaux usées présentées précédemment. La partie amont du réseau est identique pour les deux emplacements. Les résultats, vitesse et débit, sont donc les même sur la partie amont pour les deux emplacements. Nous présenterons donc ces résultats au cours de 5 simulations.

  Tout d'abord, nous avons réalisé une simulation de 24 heures au pas de temps horaire sans eaux parasites, les résultats de cette simulation seront présentés sous forme de ligne d'eau. Nous avons ensuite simulé 24 heures au pas de temps horaire mais dans le cas d'une journée pluvieuse et enfin lors d'une forte pluie au moment le plus défavorable pour les canalisations c'est-à-dire au moment où elles sont le plus remplies.

Finalement, nous avons repris ces trois simulations et nous les avons réalisées sur une durée de sept jours. Nous simulerons dans un second temps le cas le plus défavorables pour une canalisation de 200 mm de diamètre entre Estavar et, respectivement, les emplacements P1 et P2.

   Il est important de vérifier qu'il n'y ai pas d'écarts volumiques entre l'entrée dans les canalisations et la sortie à la station d'épuration mais aussi d'éviter les mises en charge et les débordements. Il est aussi intéressant de maintenir une vitesse minimale dans les canalisations afin d'empêcher les matières solides de se déposer et les gaz nauséabonds, toxiques et explosifs (H2S, NH3, CH4, CO2) de se former. Cette vitesse minimale est souvent fixée à 0.75 m/s.

   De plus, les vitesses d'écoulement supérieures à 12 m/s sont excessives car endommageables. La vitesse maximale est souvent fixée à 3 m/s.

  Nous allons tout d'abord expliquer le problème que pose la commune de Llo pour cette modélisation et nous présenterons ensuite les résultats de nos simulations pour chaque emplacement.

 

Commune de Llo :

   Après simulation, nous nous sommes aperçues que la vitesse de l'eau usée dans la canalisation reliant Llo à Saillagouse avait tendance à s'annuler dans les heures creuses. Afin de vérifier que le problème ne venait pas de notre schéma, nous avons fait un essai avec des valeurs de débits d'eaux usées dix fois plus grandes pour la commune de Llo. Nous constatons que, dans ce cas, la vitesse ne s'annule plus. Sa valeur minimale est proche de 1 m/s. Nous concluons donc que le problème ne vient pas de notre modélisation mais du fait que les valeurs en sortie de Llo sont extrêmement faibles par rapport au reste du réseau. Cela est dû au faible nombre d'habitants dans cette commune. Llo ne représentant que 3 % du réseau, sa contribution est donc négligeable. Nous ne nous alarmerons donc pas du fait que la vitesse dans la canalisation s'annule en heures creuses.

 

Simulations :

Lors de la réalisation d'une simulation, il est impératif de vérifier que le système soit conservatif : l'eau en entrée doit se retrouver à l'exutoire. Dans l'exemple d'une simulation d'une journée sans apport d'eau de pluie, cela se vérifie grâce à la figure suivante.

Simulation de 24h sans eaux parasites

 

En effet, si des écarts volumiques sont observés entre les entrées et l'exutoire, les résultats alors obtenus ne sont pas exploitables. En effet, vu qu'il manque de l'eau, les débits, hauteurs et vitesses en sortie ne sont pas représentatifs et nous ne pouvons rien conclure quant à la simulation.

Dans le cas ci-dessus, 4% de l'eau a disparu. Cela peut être du à des fuites au niveau des jonctions. Cependant, cela n'est pas suffisant pour compromettre la simulation et nous pouvons considérer les écarts négligeables. La simulation est donc exploitable.

L'image ci-dessous permet, quant à elle, de vérifier que le réseau ne se soit pas mis en charge et ne déborde pas. Nous constatons dans ce cas que l'eau est bien restée dans les canalisations et que celles ci ne sont pas sous pression.

 

Hauteur d'eau dans les canalisations

 

Lorsque ces deux conditions sont respectées pour une simulation, nous pouvons alors tracer les lignes d'eau pour les deux branches principales du réseau, à savoir, celles reliant respectivement les communes d'Err et de Llo à Saillagouse. Nous regardons alors les profils de débits (ligne rouge) et de vitesses (ligne magenta) et nous nous intéressons aux valeurs maximales et minimales atteintes.

Ci-dessous sont représentées les lignes d'eau dans le cas d'une simulation de 24 heures sans apport d'eau de pluie pour l'emplacement P2.

 

Ligne d'eau Err - Saillagouse - Estavar - P2 : Débit minimum

 

Ligne d'eau Err - Saillagouse - Estavar - P2 : Débit maximum

 

Ligne d'eau Llo - Saillagouse - Estavar - P2 : Débit maximum

 

  Les valeurs observées sur ces lignes d'eau sont comprises dans l'intervalle de sécurité défini plus tôt. Cependant, il est important de souligner que les eaux parasites représentent environ la moitié du débit final transitant à travers les canalisations. Nous devons donc effectuer des simulations en prenant en compte les eaux de pluie avant de conclure.

  

   Nous regroupons les valeurs de vitesse et de débit pour chaque simulation effectuée dans le tableau suivant. Les simulations sont notées comme suit :

1. Simulation de 24h au pas de temps horaire sans eaux parasites,

2. Simulation de 24h au pas de temps horaire avec eaux parasites tout au long de la journée,

3. Simulation de 24h au temps de temps horaire avec infiltration d'eaux parasites pendant 3 heures,

4. Simulation de 7 jours au pas de temps horaire avec eaux parasites homogènes journalières,

5. Simulation de 7 jours au temps de temps horaire avec infiltration d'eaux parasites pendant 3 heures.

 

Simulation   Qmin(m3/s) Vmin(m/s) Qmax(m3/s) Vmax(m/s)
1 Llo-saillagouse 0 0 0.001 1
  Err-Saillagouse 0.003 0.75 0.008 1.2
  Saillagouse-Estavar 0.004 0.9 0.011 1.25
  Estavar - P1 0.01 1.1 0.015 1.5
  Estavar- P2 0.005 1.25 0.013 1.5
2 Llo-saillagouse 0 0 0.001 1.1
  Err-Saillagouse 0.005 1 0.008 1.25
  Saillagouse-Estavar 0.011 1.2 0.015 1.3
  Estavar-P1 0.015 1.4 0.02 1.5
  Estavar - P2 0.018 1.7 0.02 1.75
3 Llo-saillagouse 0 0 0.002 1.25
  Err-Saillagouse 0.005 1 0.016 1.5
  Saillagouse-Estavar 0.009 1 0.039 1.6
  Estavar-P1 0.01 1.2 0.05 1.9
  Estavar - P2 0.01 1.5 0.05 2.2
4 llo-saillagouse 0 0 0.001 1.1
  Err-Saillagouse 0.00 1 0.005 1.25
  Saillagouse-Estavar 0.01 1.1 0.012 1.3
  Estavar-P1 0.012 1.3 0.015 1.4
  Estavar - P2 0.015 1.6 0.02 1.75
5 llo-saillagouse 0 0 0.004 1.4
  Err-Saillagouse 0.001 0.8 0.015 1.5
  Saillagouse-Estavar 0.003 0.9 0.04 1.6
  Estavar-P1 0.06 1.2 0.05 1.8
  Estavar - P2 0.08 1.4 0.05 2.2

 

   Nous devons dimensionner les canalisations pour le cas le plus défavorable afin d'éliminer les risques de débordement et de mise sous pression du réseau. Nous constatons que, quelque soit la simulation, les vitesses ne sont jamais inférieures à 0.75 m3/s (sauf dans le cas de la commune de Llo). De plus, elles ne dépassent pas 3 m/s non plus. Cela signifie que les canalisations sont bien dimmensionnées.  Les débits et vitesses trouvés dans ce cas confirment que le diamètre choisi initialement pour les canalisations est suffisant et que le transfert se fera correctement dans le réseau et ce jusqu'en 2030.

   Nous avons ensuite changé le diamètre de la canalisation finale reliant Estavar aux emplacements respectifs afin d'essayer de limiter la taille des canalisation et donc leur coût. Nous simulons alors, pour chacun des emplacements, le cas le plus défavorable et nous observons les résultats obtenus pour des diamètres de 150 puis 200 mm .

 

Diamètre de 150 mm :

 

   Pour l'emplacement P1, l'eau déborde lors d'une pluie intense. La vitesse est comprise entre 2 et 4 m/s. Cela pose problème car le risque d'érosion des conduites devient important.

Réseau vu en coupe lors d'un débordement

 

   De même pour  l'emplacement P2, le débordement est fortement marqué.

 

Diamètre de 200 mm :

 

   Pour l'emplacement P1, la vitesse est bien comprise dans l'intervalle [0.75 ; 3] m/s mais nous pouvons voir sur la figure ci-dessous, qu'il existe un risque de débordement.

Réseau vu en coupe lors d'un risque de débordement

 

   Pour l'emplacement P2,  nous remarquons de même que l'eau n'a pas débordé. Cependant, le risque de débordement est très élevé comme nous pouvons le voir sur les images suivantes.

Réseau d'un risque élevé de débordement

Réseau vu en coupe lors d'un risque élevé de débordement

 

Conclusion :

   Finalement, quelque soit l'emplacement concerné, le diamètre adapté pour les canalisations à ajouter au réseau existant est 300 mm. De plus, dans le cas adapté de 300 mm de diamètre, les vitesses, dans le cas de la simulation la plus défavorable, sont légèrement plus élevées pour l'emplacement P2 (2.2 m/s au pic pour P2 contre 1.8 m/s pour P1). Cependant, ces valeurs restent dans les normes de sécurité. Les deux emplacements semblent donc possibles. Il est donc intéressant d'effectuer une modélisation du réseau plus complexe afin de différencier les deux emplacements.

Réseau plus complexe

   Réseau plus complexe

   Le réseau étudié dans cette partie est plus proche de la réalité et donc plus complexe à modéliser. Les villages de Saillagouse et d'Estavar sont représentés par plusieurs points d'altitudes différentes tandis que Err et Llo continuent d'être modélisés par un seul point. Nous avons aussi des informations plus précises sur les profondeurs auxquelles sont enterrées les canalisations. De plus, nous prenons ici en compte le poste de relevage en sortie de Saillagouse.

   Sur la carte suivante, les points pour lesquels nous disposons de données d'altitude et de profondeur sont représentés. Pour les points dont nous ne disposons pas de valeur de profondeur, nous avons arbitrairement choisi d'enterrer les canalisations à 2 m de profondeur.

 

Altitudes et profondeurs du réseau

 

Sur les images suivantes, nous pouvons voir le réseau que nous avons tracé pour chacun des emplacements étudiés. Nous pouvons aussi voir les coupes des réseaux reliant Err et Llo à l'emplacement P1 puis P2. Sur ces coupes, le poste de relevage est situé au niveau du trait bleu turquoise.

 

Réseau pour l'emplacement P1

Réseau pour l'emplacement P2

 

                                 Coupe du réseau Err - P2                                                         Coupe du réseau Llo - P2

 

                                 Coupe du réseau Err - P1                                                         Coupe du réseau Llo - P1

 

Profondeur des stations :

La parcelle sur laquelle est situé l'emplacement P1 est plate. Afin de permettre l'écoulement entre le dernier point du réseau et la station, nous choisissons de construire une canalisation ayant une pente de 1%. La canalisation rejoindra donc l'emplacement P1 à une profondeur de 2m.

De même, la pente de la dernière canalisation pour l'emplacement P2 est de 1.4%. La canalisation rejoint la station à une profondeur de 1 m.

   La pente de l'avant dernière canalisation étant, respectivement pour P1 et P2, de 0.7 et 1.2%, nous pouvons difficilement enterrer moins profondemment les canalisations car, en réduisant encore les pentes, nous compromettrions l'écoulement. Il est donc important de vérifier que les stations d'épuration ne puissent pas être inondées par des eaux d'infiltration provenant de nappes phréatiques issues des cours d'eau.

  Nous avons décidé de considérer le cas le plus défavorable, à savoir, les surfaces libres des nappes phréatiques sont supposées à la même hauteur que le fil d'eau des ruisseaux et s'étendent jusqu'aux stations. Cependant, le lit des cours d'eau est environ 2 m plus bas que les berges. Les stations étant respectivement enterrées à 2 et 1 m, elles ne devraient pas être siège à inondation. Néanmoins, des études plus approfondies permettraient d'affirmer ou d'infirmer cette hypothèse. Dans le cas où l'une des stations serait sensible à une inondation, deux solutions peuvent être envisagées. Tout d'abord l'installation d'une pompe en amont de la station permettant de relever toute l'eau arrivant à la station et permettant ainsi d'installer la station en surface. Cette solution parait ici contraire à notre but qui est de construire un réseau majoritairement gravitaire. Une deuxième solution est de construire un revêtement étanche pour la station concernée.

 

Le tableau ci-dessous est un descriptif de tous les tronçons créés pour cette modélisation. Nous pouvons voir ici le diamètre des canalisations (respectivement 300 et 200 mm pour les canalisations nommées d300 et d200) ainsi que la pente de chaque tronçon.

Tableau récapitulatif des canalisations

 

   Nous avons aussi ajouté le poste de relevage en sortie de Saillagouse à cette modélisation. Pour cela, nous avons créé un ouvrage spécial sur le point nommé Pompe. Le tronçon amont arrive en ce point à une profondeur de - 3 m alors que le tronçon aval en repart à partir d'une profondeur de - 0.74 m comme nous pouvons le voir sur la coupe ci-dessous.

 

Canalisations amont et avale du poste de relevage de Saillagouse

 

La côte au radier de ce point est fixée à 1278 m. Elle doit être inférieure à la côte d'arrêt de la pompe. La pompe est créée comme le montre la figure suivante. Les flèches vertes représentent les chutes que le réseau impose au niveau de la pompe. Sur la figure suivante, nous choisissons le mode de fonctionnement de la pompe. Nous avons choisi une loi continue de débit 0.05 m3/s. Nous définissons aussi les côtes de marche et d'arrêt de la pompe.

 

Création du poste de relevage

 

Fonctionnement de la pompe

 

   Comme pour le réseau simple, nous allons nous intéresser aux débits et vitesses dans les canalisations. Nous réaliserons trois simulations pour chaque emplacement chacune d'une durée de sept jours. La première sera réalisée sans ajout d'eaux parasites, pour la seconde nous prendrons en compte les eaux de pluie tout au long de la journée. Enfin, pour la dernière simulation, les eaux parasites n'interviendront que pendant 3 heures au moment le plus défavorable de la journée.

 

   Nous vérifierons le bon fonctionnement de la pompe, les valeurs de vitesse et le non débordement du réseau pour les deux emplacements. Nous changerons dans un deuxième temps le diamètre des canalisations reliant le réseau existant aux futures stations d'épuration afin de déterminer les dimensions idéales.

Résultats des simulations

   Résultats

   Pour cette modélisation, nous nous intéressons aux valeurs maximales de débit et de vitesse sur l'ensemble du réseau, ainsi qu'au niveau de la pompe et des canalisations finales. Voici un exemple de modélisation pour laquelle nous montrerons des figures. Pour les simulations suivantes, nous nous contenterons de résumer les résultats dans un tableau de valeurs.

 

Simulation sans eaux parasites pour l'emplacement P2

   Tout d'abord, nous vérifions que le réseau ne déborde pas. Pour cela, nous regardons la  hauteur d'eau dans les canalisations au cours du temps. L'image suivante montre bien que le réseau ne déborde pas et n'est pas soumis à un fond sec non plus. Cela est valable tout au long de la modélisation.

Hauteurs d'eau dans le réseau

 

   Les lignes d'eau en partance de Err puis de Llo ainsi que pour la pompe sont les suivantes. Elles montrent clairement que les vitesses et débits sont compris dans les bornes de sécurité précisées précédemment.

 

Lignes d'eau Err - P2 : vitesses et débits maximaux

 

Lignes d'eau Llo - P2 : vitesses et débits maximaux

 

Lignes d'eau amont et avale de la pompe : vitesses et débits maximaux

 

   Cependant, comme pour la modélisation simplifiée, il est nécessaire de prendre en compte l'influence des eaux parasites. Nous réalisons donc, pour chaque emplacement, les simulations pour lesquelles interviennent les eaux parasites.

  Pour chaque simulation, nous vérifierons le non débordement du réseau ainsi que la non mise en charge. Nous vérifierons aussi que la vitesse ne dépasse pas 3 m/s sur tout le réseau et que le débit au niveau de la pompe ne dépasse pas 0.05 m3/s ceci afin d'assurer son bon fonctionnement.

 

Résultats de toutes les simulations :

Les résultats de débits et de vitesses sont regroupés dans le tableau suivant.

  Simulation 1 : sans pluie Simulation 2 : 24h de pluie Simulation 3 : 3h de pluie
Vmax sur le réseau de P1 (m/s) 1.4 1.5 1.9
Vmax sur le réseau de P2 (m/s)

1.4

1.5 1.9
Qmax au niveau de la pompe (m3/s) 0.014 0.017 0.04

La vitesse maximale est atteinte dans la canalisation amont à Estavar, les résultats sont donc les mêmes pour les deux emplacements.

   Nous constatons que les valeurs sont cohérentes et permettent de valider la modélisation. Elles restent comprises dans l'intervalle de sécurité de [0.75;3] m/s. Cette modélisation ne nous permet pas de choisir un emplacement plutôt qu'un autre. Nous allons chercher à voir si nous pouvons diminuer le coût de l'un des emplacements en changeant le diamètre des canalisations utilisées.

 

   Nous allons maintenant chercher à optimiser la dimension des canalisations. Pour cela, nous allons réaliser la simulation la plus défavorable soit la simulation 3 dans le cas de canalisations de 200 mm et nous comparerons les résultats obtenus.

 

Simulations pour 200 mm de diamètre

 

Pour l'emplacement P1 :

Nous remplaçons le diamètre des deux canalisations finales par 200 mm. Nous constatons tout de suite que le réseau est sous dimensionné. En effet, la première image montre une tâche de débordement au niveau de la sortie d'Estavar en direction de l'emplacement P1. Elle est représentée par un cercle bleu hachuré. Le débordement est de 932 m3. Ceci est appuyé par la seconde image montrant les canalisations reliant Estavar à la station en coupe. Nous voyons clairement la ligne d'eau sortir du réseau.

Tâche de débordement

 

Canalisations en coupe lors d'un débordement

 

 

Pour l'emplacement P2 :

Nous remplaçons ici aussi le diamètre des deux canalisations finales par 200 mm. La première image montre une tâche de débordement au niveau de la sortie d'Estavar en direction de l'emplacement P2. Elle est représentée par un cercle bleu hachuré. Le débordement est de 278 m3. Ceci est appuyé par la seconde image montrant les canalisations reliant Estavar à la station en coupe. Nous voyons clairement la ligne d'eau sortir du réseau.

Tâche de débordement

 

Canalisations en coupe lors d'un débordement

 

Conclusion :

   Finalement, nous remarquons qu'aucun des deux emplacements ne se satisfait de canalisations ayant un diamètre plus faible. Le débordement est plus important pour l'emplacement P1 que pour l'emplacement P2 mais cela ne suffit pas pour conclure que l'emplacement P1 serait mieux que l'emplacement P2. Pour conclure quant à notre projet, nous remarquons que l'utilisation d'un réseau gravitaire est possible pour les deux emplacements. De plus, les canalisations utilisées sont les même dans les deux cas. Afin de favoriser un emplacement plutôt qu'un autre, nous devons prendre en compte les résultats de l'étude d'inondabilité ainsi que du prix d'achat des terrains et le coût de construction et d'installation des canalisations nécessaires.

Age des installations

   Age des installations

   Afin de limiter le déversement d'eaux usées dans le milieu ambiant, il est impératif de remplacer certaines canalisations. En effet, sur le réseau d'eau potable, le rendement entre les sources et les communes est d'environ 50%. Le réseau d'assainissement doit donc avoir un rendement proche de celui-ci. La réhabilitation du réseau d'assainissement de ces quatre communes est donc primordiale.

Sur les cartes ci-dessous sont représentées les années de pose des canalisations des différentes communes.

 

           Années de pose : Commune de Err                                Années de pose : Commune de Llo

 

  

           Années de pose : Commune de Estavar                                Années de pose : Commune de Saillagouse

 

Source : Autocad - fichiers fournis par la Régie de la Haute Vallée du Sègre

 

Les canalisations dessinées en rouge sont les plus récentes. Ce sont celles dont la date de pose a pu être déterminée. Celles en noir sont les canalisations les plus anciennes. La date de pose n'a pas pu être déterminée. Ce sont les canalisations qui devront être remplacées dans un futur proche afin d'améliorer le fonctionnement du réseau. Les canalisations de couleur magenta représentent les travaux qui ont été effectués sur le réseau l'année dernière.

   Le remplacement de canalisations se fait en plusieurs étapes :

* Démolition de la chaussée et évacuation des déblais,

* Démolition et évacuation de l'ancien réseau;

* Creuser une tranchée à la pelle mécanique,

* Effectuer des sondages,

* Acheter les fournitures,

* Mise en oeuvre du sable,

* Pose de la canalisation,

* Pose de boite de branchement,

* Reprise des branchements,

* Réfection de la chaussée.

En 2012, afin de remplacer toutes les canalisations de couleur magenta sur la carte représentant la commune de Err, la régie a du dépenser environ 50 000€.