L'introduction de l'informatique comme support d'étude dans les phases de conception des usines d'eau potable a apporté aux bureaux d'ingénierie, par des moyens de calcul accrus, la possibilité d'effectuer des simulations de fonctionnement très en amont de la réalisation. Ces simulations permettent d'analyser et de comprendre le comportement des filières de traitement, garantissant ainsi à l'ingénieur la justesse et la qualité de sa conception. Les outils de simulation ont peu à peu investi tous les domaines de l'ingénierie de l'eau. Chacun de ces domaines correspond à une étape clé de la conception d'une filière complète comme de celle d'un ouvrage s'insérant dans une filière existante. En ce qui concerne le fonctionnement hydraulique des filières de traitement, les applications de la simulation informatique sont les suivantes : Grâce aux simulations de fonctionnement de filières complètes, il est possible de dimensionner la taille des ouvrages de stockage et donc d'optimiser le ratio " investissement / coût d'exploitation " ; les calculs de profils hydrauliques rendent possible le positionnement précis des ouvrages de génie civil ainsi que la définition des caractéristiques des équipements ; la sécurité hydraulique de l'installation peut être assurée grâce à la simulation des phénomènes transitoires ; la qualité du traitement de l'eau est suivie par des simulations d'écoulement dans les différents ouvrages (cuves d'ozone, réservoirs de chloration, décanteurs, ...) ; enfin, l'intégration d'une nouvelle installation dans son environnement peut être étudiée en détail ; influence d'une pollution de la ressource, impact des prélèvements et des rejets éventuels, conséquences pour les riverains.
Arnaud DOUVENEAU*
Jean-Marc BRIGNON*
Olivier CHATAIGNER*
Claude MENGE*
Gérard CHAGNEAU**
L’introduction de l’informatique comme support d’étude dans les phases de conception des usines d’eau potable a apporté aux bureaux d’ingénierie, par des moyens de calcul accrus, la possibilité d’effectuer des simulations de fonctionnement très en amont de la réalisation. Ces simulations permettent d’analyser et de comprendre le comportement des filières de traitement, garantissant ainsi à l’ingénieur la justesse et la qualité de sa conception. Les outils de simulation ont peu à peu investi tous les domaines de l’ingénierie de l’eau. Chacun de ces domaines correspond à une étape clé de la conception d’une filière complète comme de celle d’un ouvrage s’insérant dans une filière existante.
En ce qui concerne le fonctionnement hydraulique des usines de traitement, les applications de la simulation informatique sont les suivantes : grâce aux simulations de fonctionnement de filières complètes, il est possible de dimensionner la taille des ouvrages de stockage et donc d’optimiser le ratio “investissement / coût d’exploitation” ; les calculs de profils hydrauliques rendent possible le positionnement précis des ouvrages de génie civil ainsi que la définition des caractéristiques des équipements ; la sécurité hydraulique de l’installation peut être assurée grâce à la simulation des phénomènes transitoires ; la qualité du traitement de l’eau est suivie par des simulations d’écoulement dans les différents ouvrages (cuves d’ozone, réservoirs de chloration, décanteurs, ...) ; enfin, l’intégration d’une nouvelle installation dans son environnement peut être étudiée en détail : influence d’une pollution de la ressource, impact des prélèvements et des rejets éventuels, conséquences pour les riverains.
L’usine de potabilisation du Syndicat des Eaux d’Île-de-France, à Méry-sur-Oise, dont le Régisseur est la Compagnie Générale
* Compagnie Générale des Eaux
** Syndicat des Eaux d’Île-de-France
des Eaux, verra prochainement sa capacité portée à 340 000 m³/j grâce à la réalisation d'une usine de nanofiltration de 140 000 m³/j (fig. 1). La conception de cette nouvelle installation a donné lieu à des études hydrauliques complètes et particulièrement approfondies.
Dimensionnement des ouvrages
Comment choisir la taille d'un réservoir d’effacement ou d'une bâche de relèvement pour qu’ils répondent aux besoins de l’exploitation dans toutes les configurations ? Comment appréhender les fonctionnements de la filière lorsqu'ils sont complexes et variés ? Après que la filière a été définie, la première étape de la conception d'une usine est le dimensionnement de ses ouvrages. Les ouvrages de traitement sont dimensionnés en fonction de contraintes de qualité de l’eau :
- temps de mélange et de contact dans les cuves de prétraitement, les réservoirs de contact pour la chloration et les cuves d’ozone,
- vitesse de l'écoulement dans les décanteurs,
- vitesse de filtration.
Ces contraintes ont des conséquences sur le fonctionnement hydraulique de la filière : l’allure des pompes devra respecter les plages d’évolution des débits dans les ouvrages de traitement et éviter les variations trop brutales préjudiciables à la qualité de l’eau.
Les ouvrages servant de stocks tampons assurent, en sortie d’usine, la sécurité de l’approvisionnement en eau potable, au même titre que les réservoirs installés sur le réseau. Le long de la filière, ils servent à absorber les fluctuations de débit dues à des comportements hydrauliques transitoires et à des consommations d’eau périodiques du process (lavages de filtres, purges de décanteurs…). Ils sont généralement nécessaires lorsque de nouvelles étapes de traitement sont ajoutées à des filières existantes, avant le pompage de relèvement.
Document SEQIW
Les simulations menées dans le cadre de l'extension de l'usine de Méry-sur-Oise ont porté sur la filière complète comprenant deux tranches (fig. 2). La tranche 1 existante est une tranche de traitement par double filtration. La tranche 2 en cours de construction est une filière de nanofiltration. Les deux sont reliées entre elles par des réservoirs tampons (bâches n° 1 et 2) servant aux transferts d’eau pour le lavage des filtres ou en cas d’indisponibilité d’équipements.
Les influences respectives des deux filières, ainsi que les divers cas de figure envisageables (fonctionnements normaux et défaillances d’équipements) ont été examinés grâce à un simulateur de comportement respectant les contraintes du process et les boucles de régulation de l’installation. Chaque simulation est effectuée sur 24 heures ; elle simule des événements (arrêt ou démarrage d’un équipement, modification de l’allure des pompes…) et suit l’évolution dynamique de tous les paramètres de la filière (débits et volumes dans les ouvrages) en fonction des débits pompés dans le réseau de distribution. Chaque événement correspond soit au fonctionnement normal de la filière (lavage des filtres, purge de décanteur, régénération d’un train de membranes), soit à des défaillances d’équipements. Pour la définition de ces dernières, la simulation peut être reliée à un moteur de calcul de la disponibilité de l’installation. Ce logiciel calcule, à chaque instant, la probabilité qu’une unité fonctionnelle a d’être indisponible pour maintenance ou à cause d’une défaillance, en fonction d’informations de disponibilité propres à chaque équipement constituant l’installation.
L’objectif était d’arriver à dimensionner les deux bâches tampons n° 1 et 2 au plus juste pour limiter au maximum les coûts de construction, sans toutefois hypothéquer la sécurité de l’installation. Par rapport à un dimensionnement classique, les simulations ont permis de réduire l’investissement de 43 %.
Profil hydraulique
Après l’étude de dimensionnement des ouvrages vient la conception des plans guides. À ce stade, il est nécessaire d’affiner le calcul des écoulements hydrauliques permanents. Des mises à jour continues doivent mettre en adéquation les plans et les notes de calcul.
L’objectif est en effet de définir le profil piézométrique de l’installation en régime établi. Ce profil répertorie le long de la filière l'ensemble des équipements générateurs de pertes de charge. Un calcul aussi précis que possible est nécessaire pour dimensionner les équipements et pour positionner correctement les ouvrages. Même si de nombreuses sources documentaires existent, l’expérience joue un grand rôle dans la détermination des coefficients de perte de charge.
Le profil hydraulique de l’installation d’affinage par nanofiltration a été établi. Il est constitué d’environ 700 éléments hydrauliques ayant chacun leur perte de charge calculée en fonction de la géométrie de l’installation et des conditions de fonctionnement (débit, température de l’eau, pression).
Ce type de simulation a de nombreuses applications :
- Elles sont bien évidemment essentielles
dans la détermination des caractéristiques des pompes : hauteurs de relèvement (HTE), débit et NPSH disponible.
- • Elles permettent de détecter des déséquilibres de débit entre deux files de traitement, préjudiciables à la qualité de l'eau.
- • Elles assurent le dimensionnement des organes de régulation (vannes, hottes déprimées...).
- • Elles fixent les cotes du génie civil liées au process : seuils des déversoirs d’entrée dans les réservoirs, calage des trop-pleins.
- • Elles assurent le choix du diamètre optimum des conduites en équilibrant les dépenses d'investissement et les dépenses d’exploitation. Les premières augmentent avec le diamètre des conduites ; les secondes dues au pompage diminuent avec les pertes de charges dans l'installation.
Sécurité hydraulique des installations
Lors de disjonctions électriques ou lors de défaillances matérielles, l'arrêt quasi instantané de groupes de pompage qui en résulte peut générer dans l'installation des variations de pression très importantes susceptibles de conduire à la cavitation et à la détérioration des équipements. Ces variations de pression peuvent également prendre naissance lors de manœuvres de fermeture ou d'ouverture de vannes.
C’est pourquoi, après analyse des fonctionnements en régime permanent stable et après sélection des cas les plus défavorables, il est important de procéder à la simulation des phénomènes transitoires. L’objectif est de déterminer les moyens de protection à prévoir afin d’assurer la sécurité de l'installation en exploitation.
Dans le cadre du projet de Méry-sur-Oise, les circuits complexes de la production de l'eau nanofiltrée ont nécessité une attention toute particulière quant aux moyens de protection des trains de membranes à prévoir afin de se prémunir contre les disjonctions éventuelles des groupes de pompage.
Le circuit étudié est visualisé fig. 3. Deux organes sont générateurs de fortes pertes de charge : les préfiltres et les membranes de nanofiltration, alimentés respectivement par les groupes de pompes basse pression et haute pression.
Parmi les cas de disjonction possibles, le plus pénalisant s’est révélé être celui des deux groupes basse pression, les huit groupes haute pression restant en fonctionnement pendant le temps nécessaire à leur arrêt d’urgence. En effet, les préfiltres génèrent une perte de charge importante qui, en l'absence du pompage basse pression, provoque une chute de pression telle qu'il y a alors cavitation à l'aspiration des groupes haute pression (fig. 4).
Après la définition des moyens de protection nécessaires, une chute moins importante permet d’éviter la cavitation (fig. 4). Indépendamment de la présence de la protection, la sécurité de l'installation reposera également sur l'arrêt provoqué des groupes encore en fonctionnement dans le délai le plus bref possible après incident.
On remarquera enfin qu'il aurait été possible de ne pas mettre de protection, mais cette option aurait alors exigé un approfondissement de la conduite totalement inacceptable au regard des coûts de génie civil engendrés.
Analyse fine des écoulements
Parallèlement aux simulations hydrauliques générales de l'installation, il est possible de mener des études plus précises sur les écoulements dans les ouvrages, dans le but d'améliorer la qualité du traitement ou la sécurité de l'installation. Elles sont, la plupart du temps, reliées à des informations sur la chimie du process : mélange air/eau dans les cuves d’ozone, décroissance du chlore dans les réservoirs de contact, formation et déposition de flocs dans les floculateurs et les décanteurs...
L'approche par éléments finis permet, suite à la description géométrique de l'installation, de discrétiser le domaine étudié en un ensemble de cellules. Les équations régissant le système sont ensuite posées pour décrire le comportement du fluide dans chaque cellule, ce qui suppose le choix de modèles physiques appropriés pour représenter les phénomènes de turbulence et de diffusion aussi bien que les phénomènes chimiques en jeu. Ceci conduit à un problème non linéaire qui nécessite des moyens informatiques conséquents pour l'étape de résolution.
Dans le cadre de l’extension de l’usine de Méry-sur-Oise, une nouvelle bâche de chloration est en cours de construction pour désinfecter les eaux issues de la filière existante (tranche 1, fig. 2).
L'écoulement hydraulique de ce réservoir a été réalisé à l'aide d'un code de calcul, Fluent, permettant de résoudre les équations de la mécanique des fluides sur un domaine discrétisé. Ce modèle hydrodynamique permet de décrire les écoulements au sein des ouvrages ainsi que les processus physiques et chimiques affectant la qualité de l'eau pendant l’étape de chloration.
L'efficacité de la désinfection est en effet très liée au comportement hydraulique du réservoir de chloration. L’écoulement dans le réservoir peut être représenté par une multitude de filets caractérisés chacun par un temps de parcours, et donc par un temps de contact avec le désinfectant. Chacune des masses d'eau qui traverse ces filets sera donc désinfectée différemment. La dispersion des temps de séjour aura également une grande influence sur la qualité du traitement d’un point de vue formation des sous-produits de chloration.
La fraction de l'eau qui a un temps de séjour dans le réservoir inférieur au temps de séjour théorique caractérise un chemin préférentiel. Cette partie de l'eau connaîtra un niveau d’inactivation inférieur à la valeur moyenne requise. Inversement, une fraction de l'eau a des temps de séjour longs, caractéristiques d’une recirculation. Le niveau d’inactivation atteint est alors inutilement important, et le risque de formation des sous-produits augmente. Le volume occupé par ces recirculations restreint d’autant le volume utile du réservoir. Aussi, le dimensionnement des réservoirs de chloration doit permettre de minimiser la dispersion des temps de séjour pour se rapprocher d'un écoulement le plus homogène possible. L'eau doit évoluer de façon uniforme de l'entrée vers la sortie, en limitant les phénomènes de turbulence ou de recirculation, phénomènes préjudiciables à une bonne maîtrise de la qualité des eaux produites. Différents graphes issus de la modélisation informatique représentant des courbes d'iso-vitesse ou des vecteurs vitesse permettent d’analyser l’écoulement (fig. 5). Cette analyse est complétée par une simulation de traçage.
L'avantage de ce type de modélisation hydraulique est la possibilité d’étudier l’influence de la conception du bassin et des conditions opératoires sur la qualité de l’eau. Plusieurs situations peuvent être comparées et permettent ainsi le choix de la configuration la mieux adaptée. Dans le cadre de l'étude du réservoir de chloration de Méry-sur-Oise, six configurations ont été étudiées pour des débits d’eau faible, moyen et fort. Cet outil d’ingénierie a ainsi permis de choisir la configuration la plus appropriée à la maîtrise de la qualité des eaux produites.
L'usine dans son environnement
En raison des fortes interactions qui existent entre l’usine de traitement d'eau de surface de Méry-sur-Oise et le cours d’eau qui l’alimente et l'environne, la connaissance hydraulique de l’Oise s'est révélée utile à plusieurs égards.
En premier lieu, des études hydrauliques de l’Oise sont indispensables dans le cadre de l’établissement de périmètres de protection du captage, puisque la rivière est le principal vecteur des pollutions accidentelles pouvant affecter l’usine.
Inversement, le comportement hydraulique de l’Oise a dû être étudié afin de pouvoir estimer l'impact de l’extension de l’usine dans plusieurs domaines :
• incidence du prélèvement d’eau sur les écoulements, • incidence des divers rejets de l'usine sur la qualité des eaux de l’Oise, • influence des nouveaux bâtiments sur les champs d’inondation en cas de crue majeure.
Les périmètres de protection
Les périmètres de protection des points de prélèvement en rivière de l'usine ont été redéfinis à l'occasion du projet de nanofiltration à Méry-sur-Oise, conformément à la loi sur l'eau du 3 janvier 1992. De longue date, le Syndicat des Eaux d'Ile-de-France a mis en œuvre des stratégies et des équipements de surveillance et de maîtrise des pollutions de l’Oise, et la définition des périmètres de protection a donc reposé sur les dispositifs existants.
En particulier, le modèle Disperso a été utilisé pour bâtir des scénarios de pollution accidentelle de la ressource, pris comme référence par l’hydrogéologue agréé chargé de la délimitation des périmètres. Le logiciel Disperso permet en effet de simuler l'impact sur un cours d’eau du déversement de substances solubles (fig. 6). Il s'appuie sur une modélisation hydraulique de l’Oise, de Compiègne jusqu’à la confluence avec la Seine (modèle réalisé en collaboration avec le Centre de Recherches de l’École des Mines de Paris).
Références bibliographiques
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BRIGNON (J.-M.), VANDEVELDE (T.). Outils informatiques pour la prévision de l'impact des pollutions accidentelles en rivière. L'Eau, L'Industrie, Les Nuisances, n°170, Février 1994, pp. 60-63.
Conception générale de l’autorisation des prélèvements et des rejets effectués dans les milieux aquatiques
Dans ce cadre, l’incidence du prélèvement et des nouveaux rejets induits par l’extension de l’usine a fait l'objet d'études comportant un volet hydraulique important. Les rejets de la future filière de Méry-sur-Oise sont principalement de trois types :
- eaux provenant du surnageant des boues déposées sur les lits de séchage,
- eaux provenant du lavage périodique à contre-courant des filtres,
- effluents provenant de la nanofiltration. Ces derniers possèdent une charge organique très faible. Leur dilution dans l’Oise a été étudiée, mais leur innocuité sur le milieu récepteur a été vérifiée en premier lieu par recours à des analyses écotoxicologiques confiées à l’INERIS.
Pour l’étude de l’incidence des rejets de surnageant des lits de séchage des boues et de lavage des filtres, il a été fait appel au modèle Kalplan. Il s’agit d’un modèle de “qualité de rivière” qui permet de simuler l’évolution de la qualité physico-chimique d'un cours d’eau recevant des rejets permanents ou temporaires. Divers paramètres de pollution sont simulés comme par exemple la concentration en oxygène dissous, la demande biologique en oxygène en 5 jours, les matières en suspension... La mise en œuvre du modèle était basée sur la représentation hydraulique de la rivière (ligne d'eau pour un étiage de 30 m³/s) sur plusieurs kilomètres depuis le rejet vers l’aval, préliminaire au calcul de la dispersion bidimensionnelle de l’effluent et de son interaction avec la qualité des eaux de l’Oise. Cette étude a montré la très faible influence des rejets de l’usine sur le milieu naturel.
Influence des constructions sur l’écoulement des crues de l’Oise
Des outils hydrauliques ont aussi été utilisés pour étudier l’impact des bâtiments et des aménagements paysagers du site sur l’écoulement des eaux et les niveaux atteints par la surface libre lors de crues majeures de l’Oise. Pour cette étude, réalisée dans le cadre de la demande de permis de construire, un code de calcul hydraulique bidimensionnel aux éléments finis, capable de simuler dynamiquement l'inondation des zones d'expansion de crue, a été mis en œuvre. Il s’agit du code REFLUX du Service Technique Central des Ports Maritimes et des Voies Navigables du Ministère de l'Équipement. Les plus importantes crues de l’Oise ont été simulées, afin de tester l’incidence des bâtiments projetés sur l’étendue des zones inondées et la hauteur de l’eau atteinte. Ce type d’étude permet, le cas échéant, de définir et de valider d’éventuelles mesures compensatoires, qui garantissent l’absence d’impact du projet définitif.
Conclusion
Les différents exemples ci-dessus ont permis de mieux appréhender les apports de la simulation dans la conception des usines. Les moyens logiciels actuellement à la disposition de l’ingénieur doivent lui permettre de comprendre dès l’avant-projet le comportement de la filière. Tout au long de la vie du projet, des outils très variés, dont la liste présentée ici ne constitue qu’un extrait tant par les applications possibles que par les domaines concernés, doivent donner l’assurance de la qualité de la conception.
Ces moyens nouveaux donnent la possibilité, par une meilleure analyse du fonctionnement des filières bien avant leur réalisation finale, de concevoir au plus juste les équipements et les ouvrages et de minimiser ainsi les coûts globaux d’une installation, compromis entre coût d’investissement et coût d’exploitation.
