Chaque orage met en évidence l'insuffisance des dispositifs d’épuration utilisés pour le traitement des effluents urbains par temps de pluie. Cette pollution rejetée sans traitement représente en effet la moitié de la pollution déversée dans le milieu naturel et provoque, à chaque orage, des effets de choc spécialement en période d’étiage.
Après avoir défini les caractéristiques de cette pollution, il est indispensable de mettre en œuvre des technologies capables de la réduire efficacement. Il n’existe pas de solutions types mais une méthode d’approche décomposée en deux axes principaux :
- la maîtrise hydraulique qui consiste à tenir compte de la capacité d’écoulement hydraulique des exutoires tels que réseaux d’assainissement ou cours d'eau ;
- la dépollution des effluents avant rejet au milieu naturel.
C'est dans ce premier axe « maîtrise hydraulique » que s’inscrit cet article.
L’urbanisation, le développement des infrastructures routières ainsi que la création de nombreuses zones d’activités entraînent une augmentation des surfaces imperméables au détriment des zones d’infiltration.
En conséquence, les eaux pluviales sont privées de leur épuration naturelle par infiltration et, d’autre part, cette imperméabilisation crée des flux hydrauliques saturant les réseaux d’assainissement.
La mise en place de régulateur de débit en réseaux d’assainissement permet de contré-
* ISD environnement est issu de la fusion récente des sociétés Sidalos-Elèveur, Separepur et Itera
[Photo : Régulateur de débit à commande radiale Regul.O type CR]
[Photo : Régulateur de débit Floreg]
Dispositif de mesure
Le paramètre retenu pour effectuer la mesure du débit est la variation instantanée de la hauteur d’eau dans le compartiment de rétention.
La mesure de niveau est assurée par un nilomètre NQT ; l’intervalle d’acquisition étant d’une seconde.
Le nilomètre comprend un capteur et une centrale d’acquisition.
Le débit instantané est calculé à partir de la hauteur mesurée par le capteur et de la section de la cuve de rétention.
et de réduire les rejets d’eaux par temps de pluie et les inondations.
Deux applications peuvent être envisagées :
- gestion des bassins d’orage par la maîtrise du débit de fuite ;
- équipement des déversoirs d’orage afin de traiter au débit nominal et réduire les volumes de rejet bruts au milieu naturel.
Protocole expérimental
Banc hydraulique
Le banc hydraulique est constitué d’une cuve parallélépipédique de capacité utile 32 m³ et de dimensions 8 m (longueur) x 2 m (largeur) x 2 m (hauteur).
Il est cloisonné afin de permettre une rétention des eaux (fonction bassin) et un stockage des eaux évacuées afin de recycler ces eaux.
Une vanne à crémaillère est positionnée à l’aval du régulateur de débit. Elle est ouverte lors du lancement de la manipulation.
Ces essais sont réalisés avec un écoulement libre à l’aval.
Mode opératoire
Le mode opératoire comprend les opérations suivantes :
- Remplissage de la bâche de rétention à l’aide de 3 pompes centrifuges. Le niveau de remplissage correspond à la hauteur d’eau maximale analysée par le régulateur de débit.
- Ouverture de la vanne d’isolement située à l’aval du régulateur de débit.
- Enregistrement de la courbe « hauteur d’eau dans le bassin de rétention » en fonction du temps.
- Déduction de la courbe « débit restitué » en fonction du marnage dans le bassin de rétention.
Ce protocole, suivi lors de trois manipulations sur un même régulateur de débit, montre que la précision est très bonne (erreur < 3 %).
La régulation de débit
Approche théorique
Les caractéristiques hydrauliques des orifices, et donc des régulateurs de débits, sont définies par l’équation de Bernoulli, qui s’écrit :
Q = k.S.√(2gh)
avec
Q = Débit
k = coefficient de débit
g = Accélération de la pesanteur
h = Hauteur d’eau
S = Section de l’orifice.
Les techniques rencontrées en régulation de débit dans le cadre de l’assainissement sont principalement :
- les orifices calibrés de formes diverses,
- les limitateurs de débit à effet vortex,
- l’asservissement de vannes au niveau, à la pression, …
- les régulateurs de débit mobiles.
Ce sont ces derniers que nous nous proposons d’étudier dans cette communication.
Les régulateurs de débit mobiles
Les régulateurs de débit mobiles sont caractérisés par un orifice de section bien définie et un diaphragme commandé par un flotteur. L’analyse de la hauteur d’eau par le flotteur engendre la fermeture progressive de l’orifice par le biais du diaphragme.
Deux modèles font l’objet de l’étude :
- le régulateur de débit FLOREG, adapté à l’analyse de hauteur d’eau inférieure à 3 fois le diamètre de l’orifice ;
- le régulateur de débit REGUL.O type CR pour des hauteurs d’eau plus importantes.
Ces modèles constituent un système mécanique articulé, sans apport d’énergie extérieure.
Le régulateur de débit FLOREG
La conception du FLOREG est basée sur l’étude de la section de l’orifice et du diaphragme, dont ses caractéristiques seront différentes d’un modèle à l’autre. Les essais hydrauliques menés sur un modèle régulant un débit de 18 l/s ont conduit à la courbe de réponse faisant l’objet de la figure 1.
La courbe met en évidence un temps de réponse très court (le débit nominal étant atteint dès la mise en charge de l’orifice) et une parfaite linéarité du débit restitué avec une variation inférieure à 5 %.
Il a été mis en évidence que la forme du dia-
[Photo : Figure 1 – Courbe expérimentale du Floreg]
[Photo : Figure 2 : Fonction du Regul.O.]
[Photo : Figure 3 : Courbe expérimentale du Regul.O. type CR]
diaphragme, associée à la fermeture de la section supérieure de l’orifice ne modifie pas le coefficient de débit k.
Le régulateur de débit REGUL.O type CR
La conception du REGUL.O type CR est axée sur les paramètres suivants :
- - système de bielles de transmission articulé,
- - diaphragme de section géométrique variable, se déplaçant sur une trajectoire linéaire,
- - orifice de section bien définie.
Contrairement au modèle FLOREG, le coefficient de débit k du REGUL.O n’est pas constant, et doit donc être intégré comme une fonction selon les paramètres de hauteur d’eau et la forme de l’orifice.
La figure 2 montre la variation de k en fonction du ratio de la côte du diaphragme sur le diamètre de l’orifice. L’intégration de cette fonction dans le calcul du régulateur de débit REGUL.O type CR permet d’atteindre rapidement le débit nominal et de le conserver jusqu’au marnage maximal du modèle étudié (figure 3).
La précision est très bonne ; la variation du débit/débit nominal étant inférieure à 5 % dès l’atteinte du débit de consigne.
Tableau 1 : Applications spécifiques des régulateurs de débit mobiles FLOREG et REGUL.O
| FLOREG |
REGUL.O CR |
| - Temps de réponse très court.- Analyse de faibles hauteurs d’eau.- Grande fiabilité.- Application principale : déversoirs d’orage. |
- Bonne régulation du débit restitué.- Analyse de marnages importants.- Grande fiabilité.- Application principale : bassins d’orage. |
Conclusions
Les régulateurs de débit mobiles FLOREG et REGUL.O sont complémentaires, et répondent chacun à des applications spécifiques, comme le montre le tableau 1.
De conceptions très différentes, les règles de calcul sont déduites de l’équation de Bernoulli mais avec un coefficient de débit k spécifique à chaque modèle.
Ils optimisent de façon importante la maîtrise des écoulements hydrauliques en réseau pluvial comparativement à un orifice calibré ; ce qui conduit à :
- - une réduction de 5 à 20 % du volume utile du bassin d’orage,
- - une réduction des rejets directs vers le milieu récepteur,
- - une optimisation des réseaux…
Ces régulateurs de débit, réalisés en acier inoxydable, s’intègrent parfaitement dans les schémas d’assainissement des rejets urbains par temps de pluie au fil de l’eau : déversoir d’orage, bassin d’orage… où les débits restitués sont de quelques dizaines à quelques centaines de litres/seconde, voire plus d’un mètre-cube par seconde.
