L?étude des systèmes d'assainissement par temps de pluie a recours de plus en plus souvent à des outils de modélisation pour diagnostiquer au mieux le fonctionnement d'un réseau et définir les solutions d'aménagements adaptées. Après plus de 10 ans d'utilisation d'outils de modélisation puissants, Safege a développé des méthodes spécifiques qui garantissent une bonne évaluation de la performance des systèmes étudiés et qui permettent d'optimiser la taille des ouvrages préconisés.
Après plus de 10 ans d'utilisation d'outils de modélisation puissants, Safege a développé des méthodes spécifiques qui garantissent une bonne évaluation de la performance des systèmes étudiés et qui permettent d’optimiser la taille des ouvrages préconisés.
La maîtrise du fonctionnement des réseaux d’assainissement par temps de pluie est un enjeu majeur pour les collectivités, les sociétés d’exploitation et les acteurs institutionnels du secteur de l'eau.Cette maîtrise implique en particulier de diagnostiquer les insuffisances capacitaires des ouvrages et de déterminer les charges polluantes rejetées au milieu récepteur par temps de pluie, de dimensionner les aménagements à prévoir pour des objectifs à fixer (création de bassins d’orage, renforcement des collecteurs, asservissement des équipements, etc.) et enfin d'intégrer ces investissements dans une stratégie de long terme.
Face à cette double nécessité d’améliorer l’évaluation de la performance des réseaux d'assainissement d’une part, et d’optimiser le dimensionnement des aménagements en termes de coûts-efficacité d’autre part, le recours à la modélisation des réseaux s'est imposé face aux méthodes traditionnelles (de type Caquot) qui ont, quant à elles, montré leurs limites.
Les méthodes basées sur la modélisation se caractérisent par une plus grande robustesse et une plus grande précision des résultats, car elles permettent d'intégrer aussi bien la variabilité spatiale (bassins versants, représentation de la structure du réseau) que temporelle (calcul d’hydrogrammes, …)
Les grands principes de la modélisation
La modélisation des réseaux d’assainissement consiste à représenter les différents phénomènes physiques en réseau par un ensemble de lois mathématiques de complexité plus ou moins grande. En ce qui concerne les problématiques de temps de pluie, la modélisation s'appuiera classiquement sur deux étapes distinctes (cf. figure 1) :
> Le modèle hydrologique, qui permet de calculer pour un événement pluvieux donné les hydrogrammes de ruissellement (courbes Q(t)) sur chaque bassin versant (modèle de transformation pluie-débit)
> Le modèle hydraulique, qui permet de calculer, notamment à partir des hydrogrammes fournis par le module hydrologique, les hydrogrammes propagés en réseau.
In fine, les simulations effectuées pourront permettre de représenter l'évolution en tout point du réseau de grandeurs physiques telles que débit, vitesse, hauteur d’eau, charge, ainsi que des concentrations pour les modèles intégrant l’évolution de la pollution.
Ainsi, depuis plus de 10 ans, Safege a basé son expertise des réseaux d’assainissement sur la modélisation. Cela a exigé deux impératifs majeurs : d’une part disposer d'un logiciel robuste, puissant et polyvalent, et d'autre part développer des méthodes permettant d’exploiter au mieux l’outil pour l’intégration de chroniques de conditions aux limites des phénomènes.
Robustesse et puissance du logiciel de modélisation MOUSE
Ce logiciel professionnel, développé par le DHI Water & Environment et dont Safege assure la commercialisation et l’assistance technique en France, est destiné à la modélisation des écoulements de surface, des écoulements en réseau, de la qualité des eaux et du transport solide sur les bassins versants et dans les systèmes d’assainissement. Il s'applique à toute sorte de configuration de réseau et prend en compte aussi bien des écoulements en charge qu’à surface libre. Il s'agit d'une application 32 bits spécialement destinée à fonctionner sous Microsoft Windows et Windows NT, optimisée pour des calculs rapides.
MOUSE tire sa puissance de calcul des techniques avancées d’intégration, de ses formulations algorithmiques efficaces et de sa faculté d’adaptation aux problèmes les plus divers. Testé et appliqué avec succès depuis plus de 30 ans par plus de 1 000 utilisateurs à travers le monde entier, c'est un outil convivial dédié à l’étude, au design, à la gestion et à l'analyse des réseaux d’assainissement du plus simple au plus complexe.
Les simulations permettent de calculer la réponse à tout type de pluie : pluie de projet de période de retour donnée, pluie réelle, chronique de pluie longue durée. Plusieurs modèles de transformation pluie-débit sont disponibles (dont le modèle simple réservoir linéaire), tandis que le modèle hydraulique utilise les équations complètes de Barré Saint-Venant, ce qui assure aux simulations une bonne prise en compte des phénomènes transitoires et des conditions aval.
L'interface MOUSE a été définie pour offrir un maximum de flexibilité et de facilité. Elle répond aux attentes des modélisateurs expérimentés comme novices. Les données sont gérées via des fenêtres graphiques permettant diverses manipulations (requêtes, tri, suppressions…). Les différentes boîtes de dialogue sont liées dynamiquement. MOUSE utilise une base de données ODBC robuste et compatible Microsoft pour le stockage et la manipulation des données de réseau. Cette organisation offre un large choix d’outils de requête, dont l'option QBE (Query By Example).
La dernière version de MOUSE intègre de nombreuses nouvelles fonctionnalités facilitant le travail du modélisateur.
Le champ d’applications typique de MOUSE couvre une gamme étendue de types de réseaux (séparatifs, unitaires), des réseaux simples (ex. lotissements, petites communes) aux réseaux maillés très complexes (ex. grandes agglomérations et groupements de collectivités). Il est sollicité pour les études diagnostiques de systèmes d’assainissement (sollicitation du réseau, mise en charge, débordement…), les schémas directeurs, l’analyse et le développement de systèmes de gestion en temps réel, la définition de nouvelles procédures de régulation d'ouvrages, etc.
Les méthodes spécifiques basées sur son utilisation permettent de répondre notamment aux questions suivantes :
> Quelles sont les périodes de retour des surverses du réseau existant ?
> Quelles sont les principales causes de surcharge du réseau (saturation, capacité hydraulique réduite) ?
> Quelles sont les conséquences du remplacement ou de la mise en place d'ouvrages hydrauliques ?
> Quels sont les impacts environnementaux à long terme d’un certain mode de gestion ?
La méthode des pluies réelles
Cette méthode consiste à simuler de longues séries de pluies réelles (plusieurs années) afin d’évaluer au mieux l’efficacité de dépollution d'un ouvrage en temps de pluie. La simulation sur une pluie isolée (par exemple une pluie théorique de projet) ne permet pas en effet de raisonner sur des bilans annuels (effet d'accumulation de la pollution) et n’intègre pas la notion de remplissage du réseau lorsque se produit une pluie. Ceci est en revanche réalisé par la méthode des pluies réelles, basée sur la simulation de chaque événement pluvieux réel sur une période donnée, en tenant compte du passé, et donc sans simplification. Ainsi, le temps de vidange du réseau est pris en compte car deux événements pluvieux rapprochés sont simulés en une seule fois (cf. figure 3).
Cette analyse est primordiale pour tenir compte des nombreuses « petites » pluies, qui individuellement ne représentent que de faibles volumes déversés, mais qui, mises bout à bout, participent pour une grande part à la charge polluante totale déversée au milieu naturel. Si l'on raisonne en volume par exemple, le classement des événements pluvieux sur la durée simulée en fonction du volume rejeté permet de tracer une courbe « efficacité-capacité », de laquelle il est possible de déduire la fraction du volume annuel intercepté en fonction de la capacité d'un ouvrage de stockage (cf. figure 4), ce que ne permet pas un dimensionnement classique sur une pluie de projet par exemple.
L’utilisation de cette méthode est fondamentale pour l’optimisation du dimensionnement des ouvrages en termes de coûts-efficacité.
répondre aux problématiques posées (la simple acquisition d’un logiciel ne suffit pas en soi pour répondre aux problématiques de temps de pluie).
Intégration de l’outil de modélisation dans les études des réseaux d’assainissement
Avant d’exploiter le modèle du réseau d’assainissement dans le cadre d'un schéma directeur, il est nécessaire de le construire, de le caler et éventuellement de mettre en place un système d’actualisation courante. Dans le cadre du schéma directeur proprement dit, la modélisation du réseau est exploitée en vue d’effectuer :
- * le diagnostic du temps de pluie, principalement à travers l'identification des dysfonctionnements du système (zones de débordement et taux de mise en charge des collecteurs) et le bilan des déversements au milieu récepteur ;
- * le dimensionnement des ouvrages hydrauliques.
Pour effectuer le bilan des déversements au milieu récepteur et pour optimiser le dimensionnement des ouvrages, Safege a affirmé son expertise en se basant sur la méthode des pluies réelles.
D’autres applications fondamentales des modèles méritent également d’être présentées :
- * l’étude de la limitation des rejets à l’échelle des bassins versants élémentaires, qui conduit à définir des règles d’urbanisation à respecter pour ne pas dépasser la capacité des réseaux ;
- * la gestion en temps réel des ouvrages de régulation.
Ces différents volets ont été abordés dans le cadre des études menées par Safege sur le réseau départemental d’assainissement des Hauts-de-Seine.
Exemple d’études basées sur la modélisation : le réseau d’assainissement du département des Hauts-de-Seine
Le Conseil Général du département des Hauts-de-Seine (1,380 million d’habitants, environ 175 km²) a confié à Safege les études visant à mieux maîtriser les risques d'inondation, diminuer les rejets de temps de pluie en Seine au niveau des nombreux déversoirs d’orage et à améliorer la gestion globale du réseau. Pour cela, Safege s'est appuyé sur la modélisation du réseau départemental d’assainissement et a utilisé le logiciel MOUSE. Le réseau, unitaire à plus de 70 %, permet de transférer la majeure partie des eaux des réseaux communaux et départementaux vers les réseaux interdépartementaux du SIAAP*. Ces études ont été réalisées en collaboration avec l’exploitant du réseau, la SEVESC**.
La construction des modèles
Le réseau départemental d’assainissement des Hauts-de-Seine comprend plus de 520 km de réseaux structurants dont 380 km de réseaux unitaires, 140 km de réseaux séparatifs, des exutoires vers le SIAAP auxquels s'ajoutent 80 déversoirs d’orage qui se rejettent par temps de pluie vers la Seine et le système Bièvre. Les réseaux sont soumis aux influences des crues de la Seine et comportent de nombreuses stations anticrue.
Plusieurs sous-modèles MOUSE ont été construits en fonction des bassins versants hydrologiques et des points de rejet aux émissaires du SIAAP, sur la base de plans.
* Syndicat Interdépartemental pour l’Assainissement de l'Agglomération Parisienne.
** Société des Eaux de Versailles et de Saint-Cloud.
Informatisés ou non et de reconnaissance sur site. Ainsi, la représentation de l’ensemble des réseaux modélisés comporte environ 5 000 nœuds, 1 250 bassins versants, 5 100 conduites. La taille moyenne des bassins versants modélisés est de l'ordre de 10 ha. Les conduites sont en général circulaires (du diamètre 400 mm au diamètre 5 000 mm) ou ovoïdes (jusqu’à 3,20 m de hauteur, ouvrages avec banquette). Les exutoires, les déversoirs, les stations de pompage, les vannes, la régulation, les seuils asservis, etc., y sont également représentés.
Le calage des modèles
Deux événements pluvieux ont été utilisés pour caler les modèles (pluies des 5 et 6 août 1997 et pluies des 6 et 7 octobre 1997), et un événement pluvieux pour la validation du calage (pluies des 18 et 19 janvier 1998). La pluviométrie a été fournie par le système Calamar® par interprétation des images du système radar installé à Trappes.
La comparaison des résultats simulés avec le comportement réel des réseaux a été établie à partir des mesures sur les points permanents de surveillance du système GAIA du Conseil Général (environ 200 points ont été utilisés) et les points temporaires installés pour les besoins de l'étude (35 points). Le calage du modèle en configuration « Seine en crue » a été vérifié par des simulations effectuées avec la pluie des 30 et 31 décembre 1999.
Dans le cadre de l’actualisation courante des modèles, des campagnes de mesure complémentaires ont été réalisées (printemps et été 2001) pour affiner plus localement le calage des modèles en tenant compte des aménagements réalisés sur le réseau.
Cette étape de calage, primordiale lorsqu’il s’agit de dimensionner des ouvrages, a notamment permis de constater des comportements différents des bassins versants suivant la saison et le type de pluie, conduisant à adapter dans l’étape de modélisation les coefficients de ruissellement obtenus (cf. figure n° 6), différenciation particulièrement importante suivant que l'on étudie les problèmes d'inondation ou les problèmes de pollution de temps de pluie.
Le diagnostic “temps de pluie” des réseaux
Des simulations ont été réalisées afin d’identifier et de lister les points de dysfonctionnement hydraulique du réseau départemental par temps de pluie, en Seine hors crue et en Seine en crue, et de localiser et quantifier les rejets au milieu récepteur des surverses de temps de pluie des réseaux unitaires (lutte contre les inondations et contre la pollution). Ces simulations ont été réalisées sur des pluies de projet synthétiques (exemple : pluie décennale), ainsi que sur des pluies réelles. Différents types de cartes issues des simulations sont alors des outils précieux d’analyse des désordres hydrauliques (exemples : carte des débits de pointe pour la pluie décennale, carte des mises en charge, carte des volumes déversés au milieu récepteur – figures n° 8 et 9).
Des simulations de pluies réelles sur des longues durées (3 ans) permettent de dresser des bilans mensuels de déversements au milieu récepteur (cf. figure 9) et d'identifier les déversoirs d’orage représentant les plus gros volumes de déversement. La modélisation longue durée apparaît donc ici comme
Le dimensionnement des aménagements
Des aménagements ont ensuite été testés pour remédier aux secteurs critiques par temps de pluie mis en évidence lors de la phase diagnostic, et ce en cohérence avec les programmes régionaux de lutte contre les inondations et de limitation de la pollution. Les résultats attendus de ces aménagements sont une diminution d’environ 75 % des débordements pour la pluie décennale et de 60 % des volumes déversés pour la pluie de 6 mois. Les tests effectués ont conduit, après hiérarchisation des aménagements, à un programme d'investissements.
L'étude de dysfonctionnements locaux, avec affinage du modèle, permet d’aller plus loin dans le dimensionnement et l'optimisation des ouvrages. C'est par exemple le cas pour un bassin de stockage mixte (vocation de lutte contre les inondations et de lutte contre la pollution) à l'étude actuellement. Des configurations et modes de fonctionnement complexes sont simulés avec MOUSE de façon à obtenir un volume optimal de bassin (cf. figure 10).
La méthode des pluies réelles a été utilisée à cette fin, en permettant de juger directement de l’efficacité de l’ouvrage sur la charge interceptée (cf. figure 11). Ces résultats seront ensuite confirmés par une campagne de mesure qualité.
Autre application : l'étude de limitation des rejets à l’échelle de bassins élémentaires
Dans le cadre de projets d’urbanisation future, des tests de sensibilité sur les coefficients de ruissellement ont été réalisés afin de définir un zonage de limitation de rejets à l’hectare. Le principe consiste à évaluer la capacité du réseau sur différentes pluies de projet (périodes de retour 1 an, 5 ans, 10 ans) et différentes hypothèses d’imperméabilisation.
Le croisement des résultats de la simulation à l'aide d'un Système d’Information Géographique permet de dresser des cartes de « saturation » des bassins versants et de caractériser pour chaque bassin versant élémentaire (près de 1300 bassins versants) le rejet maximal admissible à l’hectare (cf. figure 12).
Ainsi, les nouveaux aménagements urbains disposent d’un outil particulièrement intéressant dans le cadre de la mise en place des programmes d'auto-surveillance.
Le principe du contrôle
Boulogne-Billancourt par Safege en collaboration avec le DHI Water & Environment, pour le contrôle de 6 déversoirs d’orage (cf. figures 13 et 14). L’analyse des résultats des simulations réalisées sur des pluies isolées de longue durée sur une période de trois ans montre que le contrôle en temps réel permet une réduction spectaculaire des volumes déversés de 80 % par rapport à une situation classique et une diminution de la fréquence de déversement par 5 (cf. figure 15).
Autre application : la gestion en temps réel des ouvrages de régulation
Le contrôle global en temps réel des réseaux d’assainissement permet de déterminer les consignes d’exploitation du réseau optimales pour limiter les déversements de temps de pluie au milieu récepteur, et ce en utilisant la capacité résiduelle de certains collecteurs et en jouant sur les temps de transfert des hydrogrammes en réseau. Une telle gestion est possible avec le système MOUSE ON LINE, qui permet le choix de consignes d’ouvrages régulés grâce à des simulations lancées toutes les 10 minutes sur une prévision de précipitations. Ce type de système a été mis en place sur Boulogne-Billancourt par Safege, en collaboration avec le DHI Water & Environment, pour le contrôle de 6 déversoirs d’orage (cf. figures 13 et 14). L’analyse des résultats des simulations réalisées sur des pluies isolées de longue durée sur une période de trois ans montre que le contrôle en temps réel permet une réduction spectaculaire des volumes déversés de 80 % par rapport à une situation classique et une diminution de la fréquence de déversement par 5 (cf. figure 15).
Conclusion
Il est désormais reconnu que la modélisation est devenue une étape incontournable dans l’étude des systèmes d’assainissement en temps de pluie, offrant ainsi une analyse fiable et efficace. Grâce aux progrès de la micro-informatique, aux travaux de recherche mais également au développement de méthodes résultant des expériences riches et variées de bureaux d’études, de nouvelles perspectives se font jour pour une valorisation encore plus poussée des logiciels de modélisation. Toutefois, l’étendue des approches permises par ces outils ne saurait occulter la complexité des phénomènes mis en jeu et l’importance des différentes étapes requises, en particulier de l’étape du calage du modèle. C’est pourquoi, compte tenu des enjeux, l’exploitation s’appuiera le plus souvent sur le savoir-faire des spécialistes, sous peine d’une manipulation non maîtrisée pouvant mener à des résultats erronés et des interprétations lourdes de conséquences.
