Les Maîtres d’ouvrages et leurs Maîtres d’œuvre ont des besoins en matière de régulations de débits sur leurs réseaux d’assainissement. Les débits conservés vers les stations d’épuration via les réseaux de transfert restent très variables en fonction de la taille des bassins versants et du découpage de l’agglomération.
La typologie des villes et villages ne permet pas facilement une remise en cause du type de collecte, et le réseau unitaire est omniprésent, d’où l’obligation d’implanter des déversoirs d’orage.
La problématique
Les débits critiques et de temps secs conservés vers la station d’épuration sont parfois très faibles et inférieurs à 15 l/s. Les expériences et les retours d’exploitation ont prouvé les limites des régulateurs de type « vortex » ou modèles à flotteur sur les faibles débits. Ils montrent, dans le cas d’effluents très chargés, un bouchage rapide de l’orifice.
Tableau 1 : Influence du diamètre de l’orifice de régulation sur le colmatage
Tableau 1 exprime la fiabilité du système de régulation de débit au regard du risque de colmatage (– : à proscrire ; + incertain ; ++ : fiabilité probable ; +++ : fiable).
[Photo : Régulateur de débit à commande radiale, modèle Floreg.]
et donc un débordement en surverse vers le milieu naturel, d'où une rupture de l'alimentation du réseau de transfert. L'amplitude en ce qui concerne l'orifice, dans le cas des petits débits, n'est pas suffisante pour un passage satisfaisant par temps sec, passage qui se réduit lors de la montée des eaux.
Il était nécessaire après ces constats de trouver le système qui permettrait :
- d'obtenir une ouverture maximum au moins égale au diamètre du collecteur de transfert,
- de conjuguer un effet de chasse après la mise en charge du réseau,
- d'éviter les retours par la surverse vers le réseau de transfert par temps sec et de crue,
- de mesurer les volumes journaliers dirigés vers le réseau de transfert,
- de suivre à distance le fonctionnement du système,
- de pouvoir conserver les données en mémoire par un système de télégestion.
Pour répondre à ces questions, la solution proposée était d'équiper le déversoir d'orage d'une vanne motorisée où l'ouverture serait réglée en fonction du débit conservé vers la station d'épuration. Pour la gestion, il était nécessaire de mettre en place un automate avec possibilité de télégestion et donc conservation des données.
Le problème de la gestion des petits débits, y compris en sortie de bassin de rétention des eaux pluviales, ne semblait pas avoir fait l'objet d'études spécifiques. Il était donc intéressant d'ouvrir le débat et de mettre au point un système fiable pour répondre à cette problématique.
C'est dans le cadre de la certification ISO 9001 version 2000, et de l'écoute client, que nous avons développé une technologie répondant à ce cahier des charges.
Les solutions techniques en réseau unitaire
La mise en œuvre de régulateurs de débit à flotteur (Figures 1 et 2) assure une bonne restitution du débit au sein des déversoirs d'orage. Le débit de consigne est rapidement atteint, et il est conservé par le déplacement du flotteur, qui engendre la fermeture progressive de l'orifice par le biais du registre conformément à l'équation de Bernoulli. Les régulateurs de débit sont caractérisés par un temps de réponse très court et une bonne linéarité de la réponse hydraulique, comme illustré sur la figure 3.
Les limiteurs de débit à effet vortex (figure 4) sont basés sur un orifice de section donnée et la création d'un noyau d'air avec la mise en charge de l'orifice permettant de limiter le débit restitué (figure 3).
Ils sont notamment mis en œuvre pour des hauteurs d'eau significatives ou lorsque l'encombrement du système de régulation de débit doit être optimisé.
La maîtrise des débits en réseau unitaire implique la gestion des spécificités
[Photo : Régulateur de débit à commande axiale, modèle Regul.O. type CA.]
[Photo : Réponse hydraulique des différents dispositifs de régulation de débit.]
[Photo : Limiteur de débit à effet vortex, modèle CH.]
[Photo : Illustration de la vanne de régulation couplée au canal spécifique.]
suivantes :
- fiabilité de la conservation du débit nominal vers la station d’épuration, impliquant une section satisfaisante de la section d’écoulement. Les résultats d'une étude menée sur nos ouvrages (tableau 1) précisent qu'un diamètre de 150 mm est nécessaire à une grande fiabilité du dispositif de régulation de débit,
- exploitation très réduite (interventions en réseau difficiles, délais d'intervention courts souvent déclenchés par une surverse non maîtrisée...),
- optimisation du volume traité sur la station d’épuration.
Ces exigences limitent le domaine d’application des régulateurs de débit à flotteur à des débits supérieurs à 15 l/s et pour de faibles marnages. Les modèles à effet vortex sont mis en œuvre pour des débits supérieurs à 20 l/s et avec des marnages plus importants.
[Photo : Domaine d'application en réseau unitaire.]
La problématique de la gestion des faibles débits (< 15 l/s) en réseau unitaire impliquait la définition d'une nouvelle technologie.
L'asservissement d'une vanne à un canal de mesure type Venturi n’étant pas adapté à cette problématique (réponse hydraulique erronée avec la mise en charge du réseau).
[Photo : Vanne de régulation, associée à un canal spécifique. Déversoir d’orage de Montauville (54). Débit nominal 5 l/s.]
[Photo : Implantation de la vanne associée au canal dans un déversoir d’orage.]
[Photo : Figure 9 : Domaine d’application en réseau séparatif pluvial.]
amont, section du canal insuffisante, contraintes d’implantation), différentes pistes ont été envisagées, et l'étude de faisabilité en laboratoire nous a permis de se diriger vers un dispositif caractérisé par une vanne de régulation associée à un canal spécifique (figure 6). Ce canal est équipé d'une chicane, permettant de dissiper l'énergie cinétique et potentielle de l'eau engendrée par la mise en charge du réseau à l'amont par temps de pluie. Ainsi par temps sec, la vanne dont le diamètre minimal de l’orifice est de 150 mm est entièrement ouverte, gage d'une grande fiabilité vis-à-vis du risque de colmatage. Par temps de pluie, la lecture du plan d’eau au sein du canal (milieu tranquillisé) par un capteur de niveau va assurer la régulation de la vanne afin de maintenir un débit de fuite constant vers la station d'épuration. Nos premières réalisations (figure 7) mettent en évidence un fonctionnement très satisfaisant sur une grande plage de débit, et à partir d'une valeur d’environ 1 l/s. Ce procédé permet ainsi de répondre à la problématique de la maîtrise des faibles débits en réseau unitaire. La compacité de cette technologie permet de l'intégrer aisément dans les ouvrages existants ou projetés comme schématisé sur la figure 8.
La programmation de chasses systématiques, associée à une légère mise en charge du réseau amont maîtrisée par un capteur de niveau, permet d’entraîner les éventuels dépôts présents sur la cunette de l’ouvrage et la canalisation aval. Le capteur de niveau, placé à l’amont de la vanne, permet également d’envisager une estimation des surverses vers le milieu naturel. Associée à la télésurveillance, il permet de mieux connaître le fonctionnement du réseau d'assainissement.
Les solutions techniques en réseau pluvial
La maîtrise des débits en réseau séparatif pluvial est soit associée à une limitation du débit liée à l’imperméabilisation nouvelle, soit à une régulation de débit à l’amont d'un ouvrage de traitement. Le dispositif de régulation sera le plus souvent placé au sein du bassin d’orage, ou dans un regard à l'aval de celui-ci.
La nature du réseau réduit considérablement le risque de colmatage du dispositif de régulation de débit, avec un diamètre d’environ 100 mm pour une fiabilité acceptable (tableau 1). Un dégrillage préventif sera donc préconisé pour des sections inférieures, afin de retenir les flottants (résidus d'emballage, bouteilles, feuilles mortes...). Comme le montre la figure 9, pour des marnages supérieurs à un mètre, le limiteur de débit à effet vortex convient parfaitement, par son faible encombrement et la parfaite adaptation d'une simple limitation du débit (et non d'une régulation).
Pour de faibles débits (< 10 l/s), on privilégiera un régulateur de débit à flotteur ou la solution vanne/canal spécifique, notamment si un traitement est présent à l’aval afin d’optimiser le fonctionnement de l’ouvrage d’assainissement et le volume traité. La réponse hydraulique de ces dispositifs doit également être intégrée lors de la conception du bassin de rétention des eaux en fonction de la période de retour retenue pour son dimensionnement.
Conclusion
Les dispositifs de régulation disponibles assurent une parfaite maîtrise du débit restitué et de l’hydraulique du système d’assainissement, et optimisent les flux traités sur la station d’épuration en réseau unitaire. Pour les faibles débits, la mise en œuvre d'une vanne associée à un canal spécifique capable de maintenir une hauteur de consigne constante quelle que soit la mise en charge à l’amont apparaît comme la seule solution fiable. En effet, cette technique assure une section d’écoulement très sécurisante, gage d'une parfaite adaptation à la nature du réseau.
Le choix d'un dispositif de régulation doit être associé à la nature du réseau, au respect des règles issues de l’exploitation des réseaux d'assainissement et à une certaine rigueur au niveau de l’exploitation. Cette dernière peut être fortement simplifiée par la mise en place d’un équipement spécifique de télésurveillance qui permettra une meilleure connaissance du système d’assainissement.
Références bibliographiques
CSTB - Avis technique n° 17/0013 « Déversoirs d'orage à débit régulé DODR » - octobre 2000
Viau Jean-Yves - Application des déversoirs d’orage à débit régulé en réseau unitaire et séparatif - Novatech 2001 - Lyon
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