Etat de l’art : mesures et modélisation en réseau d’assainissement, contexte réglementaire

Mesures qualitatives

La connaissance du fonctionnement du réseau du point de vue quantitatif étant essentielle, le second objectif majeur pendant une campagne de mesure est basé sur l’impact des rejets au milieu naturel. C’est pour cette raison que des prélèvements sont effectués dans le but de pouvoir évaluer le flux des polluants déversés et les conséquences sur le milieu récepteur.
Les paramètres généralement quantifiés dans le cadre de prélèvements sont la DBO5, la DCO, les MES, NG, NTK, NH4+ , Pt et pH. En fonction du contexte du prélèvement, la liste des polluants peut être complétée ou modifiée.
Les appareils utilisés dans le but de réaliser les prélèvements sont les préleveurs automatiques. Ces instruments sont fixes ou portables et comportent des flacons de prélèvement (entre 4 et 24). Un système de pompage et un asservissement de la mesure en fonction du débit ou du temps permettent de créer les échantillons à partir de la crépine plongée dans l’effluent (Figure 10).
En fonction du besoin, les prélèvements peuvent être réalisés à chaque pluie (préleveur mon flacon) ou alors ponctuellement, lors des campagnes de mesures (préleveur multi flacon).
L’erreur réalisée dans le cadre de mesure de pollution en assainissement dépend du paramètre ciblé mais est généralement lié aux étapes d’échantillonnage, de transport conservation et d’analyse. [Pour cette raison, il est important d’utiliser du matériel de prélèvement adapté et de réaliser l’opération dans des conditions optimales (tuyau de diamètre supérieur à 12 mm, vitesse de prélèvement supérieure à 0,6 m/s, crépine placée au milieu dans le sens de l’écoulement…).

Modélisation

En assainissement, la modélisation permet de représenter le fonctionnement des réseaux à l’aide d’un logiciel en fonction de données d’entrées (pluviométrie, effluents domestiques, industriels…). L’objectif de cette démarche est de simuler différentes situations et observer les conséquences sur le réseau (mises en charge, débordements…) afin d’en compléter le diagnostic.

Généralités

Les modèles sont une représentation simplifiée de la réalité. Ils prennent en compte des variables d’entrée et utilisent des relations mathématiques dans l’optique de retranscrire des phénomènes réels. Il est important de garder à l’esprit que la modélisation est source d’erreurs et présente des limites liées à sa structure, son utilisation ou aux données de base injectées.
Dans cette partie ne seront abordés que les modèles quantitatifs.
Il existe différents types de modèles classés selon leur type d’utilisation (modèles cognitifs, prévisionnels, normatifs) ou leur approche (approche empirique, conceptuelle ou mécaniste).
Les modèles utilisés en diagnostic d’assainissement sont généralement de type prévisionnel.
Les objectifs associés sont une représentation du fonctionnement du réseau existant dans différentes conditions (temps sec, pluies extrêmes…) ainsi que son fonctionnement futur en prenant en compte le développement démographique et urbain ainsi que les différentes informations identifiées en situation actuelle. [18,12]
Les données prises en compte dans un modèle sont celles qui caractérisent la structure du modèle comme les cotes de terrain, les cotes « fil d’eau », les caractéristiques des ouvrages ou celles qui ont été mesurées en campagne de mesure comme les évènements pluvieux utilisées en variable d’entrée.
Les modèles utilisés dans ce contexte prennent en considération les phénomènes hydrologiques, en amont du réseau et l’hydraulique lorsque l’écoulement s’effectue dans les conduites et ouvrages.

Modèles hydrologiques

La modélisation hydrologique a pour but de transformer la pluie en débit ruisselé. Ce procédé est traduit en deux étapes distinctes : la fonction de production et la fonction de transfert (Figure 11).

Modèles hydrauliques

Dans les réseaux le débit à l’exutoire des bassins calculé à partir de la modélisation hydrologique vient s’ajouter au débit d’eaux usées domestiques et industriels, avec d’autres apports extérieurs potentiels (source, rivière…). La modélisation hydraulique prend en compte l’écoulement des effluents dans les collecteurs et au sein des ouvrages du réseau tels que les regards, déversoirs d’orage, bassins ou encore postes de pompages.
Les modèles utilisés en général en assainissement pour la partie hydraulique sont basé sur la résolution des équations de Muskingum ou alors des équations de Barré de Saint Venant (modèle déterministe). La première méthode représente un modèle hydraulique simplifié visà-vis des équations de Barré de Saint Venant et ne prend pas en compte les influences avales.[19]
Le modèle de Barré de Saint Venant est basé sur la résolution des équations du même nom, dérivées des équations de Navier-Stockes. Ces formules sont valables pour des écoulements unidimensionnels et rectilignes avec un fluide supposé parfait et incompressible. Ce sont des équations peu adaptées aux écoulements brusquement variés et aux réseaux étendus avec de nombreuses singularités.

Méthodologie et déroulement

Certaines étapes sont indispensables dans le cadre de l’utilisation d’un modèle. Celles-ci sont résumées ci-après.

Création du modèle

La construction du modèle est possible à partir des données à disposition. Cette phase comprend la mise en forme de la structure du réseau (conduites, regards, ouvrages…) et le découpage des bassins versants.

Calage et validation

A partir de données mesurées (pluviométrie, débits) un calage peut être réalisé en temps sec et en temps de pluie. Cette étape consiste à faire correspondre au maximum les données de terrain avec les données en sortie de modèle dans le but d’obtenir une cohérence des résultats vis-à-vis des données « réelles ». La phase suivante de validation consiste à comparer les données mesurées dans des conditions différentes (autres pluies que celle du calage) afin de vérifier la fiabilité du modèle dans différentes conditions.
Lors des étapes de calage et validation, une comparaison est effectuée entre les données de terrain (campagne de mesure) et les données expérimentales (résultats du modèle). Différents critères et approches sont retenus. Il est tout d’abord intéressant d’observer visuellement les différences entre les données, en général à l’aide d’un graphique qui reprend toutes les informations (approche qualitative). En seconde partie, l’approche quantitative permet de calculer les écarts entre modélisation et terrain sur des paramètres comme le débit de pointe, le temps de pointe ou encore le volume. Ces différents éléments de comparaison et les calculs des écarts sont présentés dans le tableau suivant.

Fonctionnement du système d’assainissement

L’exploitation des premières données transmises par la SDEA permet d’appréhender le fonctionnement du système d’assainissement et d’identifier les points sensibles et problèmes qui y sont liés.

Système de collecte

Les déversements observés sur les ouvrages autosurveillés sont résumés dans le tableau suivant.
Il est important de noter que les DO 3001 et 8001 sont considérés comme étant les déversoirs de tête de la STEP (point règlementaire A2). Le DO de Kertzfeld ne présente aucun déversement en raison du maintien de la vanne de sectionnement vers le milieu naturel en position fermée.
Le volume total de déversements au niveau du système de collecte est de 38505 m sur l’année 2018. En considérant également le volume de sortie de STEP, les déversements sur le réseau sont conformes en volume vis-à-vis de l’arrêté du 21 juillet 2015 (volume de déversement inférieur à 5% du volume total produit, voir la partie I.3.).
L’analyse des données d’autosurveillance montre une relation logique entre les données de pluviométrie et de hauteur d’eau dans les ouvrages, compte-tenu de la nature unitaire des réseaux de collecte. Mais ce constat n’est pas le seul puisque des corrélations sont également observées entre cette même hauteur et la hauteur de nappe mesurée par les piézomètres (Figure 23).
Cette tendance est confirmée par une comparaison plus fine des données de hauteur d’eau spécifiques en nappe haute et en nappe basse (en période de temps sec avec des valeurs nocturnes). De plus, sur ces mêmes périodes, le nombre de démarrage des pompes observé est plus important en nappe haute qu’en nappe basse. Des infiltrations d’eau depuis les cours d’eau vers le réseau de collecte ont également été relevées par le SDEA (clapets et vannes non-étanches).

Système de traitement

Bien que ne faisant pas partie intégrante de l’étude, l’unité de traitement présente un fonctionnement qu’il est intéressant de connaître.
Les données observées montrent que d’importants volumes sont transportés jusqu’aux DO 3001 et 8001 (déversoirs de tête de station), ce qui explique leurs déversements significatifs (Tableau 7). Ce dernier point est à l’origine de la non-conformité actuelle en performance dusystème de traitement. Au niveau de l’entrée de la STEP, ce sont les mêmes constats réalisés que pour le système de collecte avec une différence importante de débit entre les périodes de nappe haute et de nappe basse (Figure 24).
Malgré des apports importants, et ce particulièrement en nappe haute, la charge hydraulique limite de la station n’est pas dépassée. En revanche, ce sont les déversoirs de tête qui déversent trop fréquemment et en quantités très importantes. De plus, un problème dans le système d’aération a provoqué des dysfonctionnements de traitement sur l’année 2018.
En conséquence de ces problèmes, un nouveau projet a été mis en place. Il s’agit de la construction d’une nouvelle station d’une capacité de 27 000 EH, couplée à une unité de méthanisation des boues.

Diagnostic énergétique du système d’assainissement

Dans une démarche de réduction de l’empreinte environnementale associée au fonctionnement des systèmes d’assainissement, un diagnostic énergétique est demandé pour les études de schéma directeur lancées par le SDEA. L’optimisation de la consommation énergétique liée au système de traitement et de pompages en réseau est un objectif qui est à prendre en considération. La part la plus importante en termes de consommation électrique est générée par la STEP mais cette partie traite uniquement des postes de pompage, le système de traitement de Benfeld ne faisant pas partie du domaine d’étude.
L’analyse des postes de pompage se concentre sur les ouvrages dont la facture d’électricité dépasse les 5000€ par an et dont la liste est présentée dans le tableau suivant.

Campagne de mesures

La campagne de mesures permet d’étudier le comportement du système d’assainissement dans différents contextes : temps sec, épisodes pluvieux…
Pendant une période définie au préalable, des capteurs sont installés afin de déterminer les débits de transit aux points stratégiques du réseau.

Contexte

La campagne de mesures sur le territoire devait initialement être lancée au mois d’Avril dans l’optique d’observer le comportement du réseau dans un contexte de nappe haute mais le niveau de l’aquifère étant déjà bas, il a été décidé de réaliser la campagne de mesure en période estivale afin d’observer l’impact des pluies intenses de la saison sur le réseau.
La campagne de mesure s’est déroulée sur la période du 05/08/2019 au 09/09/2019 (5 semaines). Un suivi hebdomadaire régulier a été effectué avec des relèves de données, le désencrassement de certains capteurs (particulièrement les « hauteur-vitesse ») et le changement de matériel si besoin (batterie, capteur…).

Méthodologie

Mesures quantitatives

La première étape a été la détermination de l’emplacement des points de mesure. Dans le cadre de l’étude, le nombre total de points a été fixé à 32. La localisation des capteurs aux points stratégiques du réseau a été décidée en accord avec le SDEA, à partir du plan des conduites, des données déjà disponibles (ouvrages en autosurveillance) et avec comme objectif de connaître à la fois les débits internes au réseau mais également les débits déversés vers le milieu naturel au niveau des déversoirs d’orage.
Au total, ce sont 22 points installés au niveau de déversoirs d’orage, 5 points installés au niveau de regards classiques, 3 points installés en rivière, et 2 pluviomètres. Le détail de l’emplacement des appareils de mesure et leurs caractéristiques sont présentés dans le tableau suivant et sur les cartes en Figure 26 (Kogenheim, Sermersheim et Huttenheim.
Les mesures avec les capteurs de hauteur et hauteur/vitesse ont été réalisées avec un pas de temps de 2min.
En parallèle, le jaugeage des principaux postes de pompage a été réalisé dans l’optique de déterminer les débits de fonctionnement des pompes, en complément des données de hauteur d’eau mesurées par le SDEA. Comme expliqué en partie I.1.1., les débits sont obtenus à partir des données de niveau d’eau dans la cuve, de la durée de fonctionnement ou d’arrêt des pompes et des dimensions des cuves.
La figure suivante illustre la méthode d’étalonnage avec l’exemple du PR 17 à Rossfeld. Les parties décroissantes de la courbe représentent le fonctionnement des pompes (P1 et P2) tandis que la partie croissante représente le remplissage de la cuve pendant la phase d’arrêt des pompes.

Données d’autosurveillance

En complément des points de mesure installés, les données d’autosurveillance du SDEA ont été utilisées sur la période de la campagne de mesures. Elles concernent les niveaux des bâches de tous les postes de pompage, les temps de fonctionnement des pompes, ainsi que le niveau de certains bassins d’orage.
Les données concernant les postes de refoulement les plus importants permettent notamment de déterminer le volume de sortie des communes sur la période de la campagne de mesures.

Points de mesure

Les données ont été relevées sur les 32 points de mesure installés pour la campagne de mesure. Les résultats bruts sont les hauteurs et vitesses mesurées par les différents appareils de mesure.
On observe globalement une bonne réaction des capteurs aux pluies et peu de problèmes dans les mesures.
En fonction de l’implantation des points de mesure, il est possible de déterminer les débits transités, en utilisant des lois hydrauliques comme des lois de seuil ou de hauteur -vitesse (partie I.1.1.).
La figure ci-après montre un exemple des résultats obtenus sur la période de mesure avec les valeurs de hauteur d’eau pour le DO 1001 de Kogenheim.

Modélisation

Il existe un certain nombre de logiciels permettant de modéliser des écoulements en assainissement. Celui utilisé dans le cadre de cette étude à la demande du SDEA est Mike Urban. Cet outil permet de créer le modèle, le caler et l’utiliser dans différents cas afin d’en exploiter les résultats.

Le logiciel Mike Urban

Le logiciel Mike Urban est un outil utilisé en modélisation édité par DHI (Danish Hydraulic Institute). La version utilisée dans le cadre de ce projet est celle de 2014. Ses fonctionnalités permettent de l’appliquer en modèle eau potable ou assainissement. Parmi les différents modules de calcul c’est MOUSE qui est employé. Le modèle hydrologique sous Mike Urban est choisi selon les cinq disponibles utilisant des données d’entrée différentes (Time/Area, Kinematic wave, Linear reservoir, French linear reservoir, UHM). Le modèle retenu dans le cadre de cette étude est le « French Linear Reservoir », basé sur le principe de réservoir linéaire (partie I.2.2.). Les paramètres requis en entrée sont le coefficient d’imperméabilisation du BV (en %), la longueur du plus long chemin hydraulique et la pente moyenne du BV. D’autres paramètres importants et renseignés par défaut par le logiciel sont à indiquer comme les pertes initiales (en m), le « RFactor » (voir équation plus bas) ou le lagtime (en secondes). [26]
Le fonctionnement global du modèle hydrologique sous Mike Urban peut être résumé comme montré sur la Figure 32.
Le modèle hydraulique utilisé est basé sur la résolution des équations de Barré de SaintVenant (partie I.2.3.) avec comme hypothèses l’incompressibilité et l’homogénéité de l’eau, la direction de l’écoulement parallèle au fond de l’ouvrage traversé et une accélération perpendiculaire à l’écoulement nulle. Il existe trois modules de résolution : « Onde dynamique » pour une résolution complète, « Onde diffusive » en négligeant les termes d’inertie et « Onde cinématique » en négligeant en plus la pression. Le modèle utilisé ici est le premier.
Les calculs des pertes de charge sont réalisés à partir de la formule d’Engelund.
Il est à noter que les ressauts hydrauliques ne sont pas modélisés sous Mike Urban (passage d’un régime torrentiel à un régime fluvial).
Dans le cas des conduites sous pression, le logiciel utilise une forme simplifiée des équations de BSV.
Le logiciel intègre différents paramètres en contraintes extérieures au modèle. Ces informations sont regroupées dans les « Boundary Conditions » et comprennent la pluie, les rejets d’effluents domestiques et industriels, le niveau d’eau aux exutoires… Ces informations sont à renseigner par l’utilisateur dans les tables adaptées sous formes d’apports constants ou de profils avec variation temporelle.

Construction, calage et validation du modèle

La représentation informatique du réseau d’assainissement passe initialement par la construction du modèle. Il s’agit ici d’en créer la structure et de renseigner les paramètres requis pour un bon fonctionnement. Le calage et la validation viennent terminer la phase de « préparation » du modèle qui précède sa réelle utilisation.

Bassins versants

La création du modèle a été réalisée en plusieurs étapes. Le découpage des bassins versants a tout d’abord été réalisé sur les 11 communes situées sur le périmètre d’études. C’est sous le logiciel de cartographie QGIS avec un fond de plan d’images satellites que cette action a été entreprise, la principale contrainte de découpage étant de ne pas dépasser une surface d’1ha, à l’exception faite des bassins particuliers homogènes (usines, cimetières, routes…).
Lors de cette étape il a été porté attention aux directions supposées des écoulements de surface et à l’agencement des réseaux en eux-mêmes.

Calage et validation

A partir de l’exploitation des données de la campagne de mesure et du modèle crée, il est possible d’effectuer le calage de temps sec puis de temps de pluie ainsi que la validation.
La création du modèle a été réalisée sur la totalité des 11 communes du territoire. En revanche toutes les étapes qui suivent n’ont été réalisées que pour les communes de Kogenheim, Sermersheim et Huttenheim en raison d’un manque de temps, lié au déroulement global de l’étude (décalage dans les phases d’étude et attente de données). Compte-tenu de la disposition du réseau dans ces trois communes, les étapes de calage et validation ont été réalisées séparément et « en cascade », en allant de l’amont vers l’aval du réseau (de Kogenheim vers Huttenheim en passant par Sermersheim).

Calage de temps sec

Lors de la construction du modèle, une répartition des EH a été réalisée sur chaque BV (partie IV.2.1.). Pour recréer l’écoulement des effluents en temps sec, il est donc important d’importer un profil journalier de consommation permettant de représenter les variations horaires des rejets sur une journée. Sous Mike Urban différentes méthodes peuvent être utilisées pour modéliser ce type de rejets. Celle utilisée pour le projet consiste à renseigner une consommation journalière par équivalent habitant et de lui affecter un coefficient multiplicateur spécifique à chaque heure de la journée. Cette consommation est ensuite multipliée par le nombre d’EH de chaque BV. La création du profil journalier a été réalisée à partir de données d’autosurveillance en sortie de la commune de Benfeld. Les coefficients multiplicateurs sont déterminés autour de la consommation moyenne journalière de 0,12 m 3 /j (Figure 34).
Dans le cadre de cette étude, le profil est créé pour une journée en semaine.
Pour les données de terrain, les journées de temps sec sélectionnées le sont sous les critères suivants :
❖ Aucune pluie recensée dans la journée
❖ Aucune pluie recensée dans la journée précédente (pas de résiduel de pluie)
❖ Journée hors weekend
A partir de ces jours choisis, il est possible de créer une journée de temps sec « type » qui est ensuite utilisée pour le calage.
Pour le temps sec et la journée sélectionnée du 04/09/2019, certaines comparaisons sont effectuées entre données modélisées et mesurées. Le calage et la validation de temps sec n’ont pas été réalisés au sens rigoureux du terme mais les observations visuelles montrent un comportement similaire du réseau entre les mesures et le modèle et des volumes relativement proches.

Calage de temps de pluie

Les pluies identifiées en partie III.3.1., ont permis la réalisation du calage. La pluie du 11/08 (pluie 1) a été choisie pour la partie calage tandis que les pluies du 09/08 et du 07/08 (pluie 2 et 3) ont servi pour la partie de validation. Différents points de comparaison sont fixés pour les trois communes modélisées. Les points de mesure installés (Tableau 10) sont utilisés ainsi que les données d’autosurveillance concernant les postes de pompage et le niveau des bassins d’orage équipés.

Conformité vis-à-vis de l’arrêté du 21 juillet 2015

Le contexte réglementaire posé par l’arrêté du 21 juillet 2015 impose les conditions de rejets des DO vers le milieu naturel (partie I.3.).
Il est possible d’utiliser le modèle avec une chronique annuelle de pluie dans le but d’avoir une représentation assez fidèle des pluies sur une période annuelle, en phase avec les règles éditées par l’arrêté.
Dans le cadre de ce mémoire, la vérification de la conformité n’a pas été étudiée sur la totalité des critères et selon la méthode de chronique annuelle de pluie.
La démarche indicative partielle a été basée sur l’utilisation de la pluie de classe C1 (Figure 40) de fréquence d’apparition de 22,8 par an, en vérifiant les potentiels déversements avec le modèle. Aucun déversement n’est observé, ce qui indique que pour cette pluie spécifique, le critère des 20 déversements est observé. Il est important de rappeler que cette démarche est réalisée uniquement à titre indicatif et que pour un diagnostic complet il est nécessaire d’utiliser une chronique de pluie annuelle, plus représentative et fiable.
Les déversements observés sur l’année 2018 montrent que les déversements conséquents se concentraient à l’aval de la commune de Benfeld, au niveau des DO 3001 et 8001.

Impacts sur le milieu naturel

Selon les critères décrits dans le CCTP, l’étude d’impact des rejets sur le milieu naturel est effectuée en suivant la méthode AERM qui vise à atteindre le bon état écologique des cours d’eaux comme indiqué dans la DCE.
Les paramètres de qualité étudiés sont la DCO, la DBO5, le taux de NH4+ et le taux de PO43-et ce, durant une période dite « sensible », c’est-à-dire lorsque les débits du cours d’eau sont faibles (et donc qu’un rejet représente un apport important). Les limites sont celles du SEQ et sont présentées dans le tableau suivant.

Table des matières
Remerciements 
Résumé 
Abstract
Table des acronymes 
Table des Illustrations 
Figures 
Tableaux
INTRODUCTION 
I. Etat de l’art : mesures et modélisation en réseau d’assainissement, contexte réglementaire
1. Campagne de mesure
1.1. Mesures quantitatives
1.2. Mesures qualitatives
2. Modélisation
2.1. Généralités
2.2. Modèles hydrologiques
2.3. Modèles hydrauliques
2.4. Méthodologie et déroulement
3. Contexte règlementaire et orientations
II. Contexte général de l’étude 
1. Le territoire de Benfeld et environs
1.1. Situation géographique
1.2. Hydrogéologie
1.3. Hydrographie
1.4. Climatologie
1.5. Espaces naturels
2. Le système d’assainissement
2.1. Etat des lieux
2.2. Fonctionnement du système d’assainissement
2.3. Diagnostic énergétique du système d’assainissement
III. Campagne de mesures 
1. Contexte
2. Méthodologie
2.1. Mesures quantitatives
2.2. Mesures qualitatives
3. Résultats et exploitation
3.1. Pluviométrie
3.2. Données d’autosurveillance
3.3. Points de mesure
IV. Modélisation 
1. Le logiciel Mike Urban
2. Construction, calage et validation du modèle
2.1. Bassins versants
2.2. Structure du réseau : nœuds, tronçons, exutoires et ouvrages spéciaux (DO, PR, BO)
2.3. Calage et validation
2.4. Applications du modèle
2.4.1. Diagnostic initial de temps sec
2.4.2. Conformité vis-à-vis de l’arrêté du 21 juillet 2015
2.4.3. Impacts sur le milieu naturel
2.4.4. Pluies intenses, débordements et inondations
2.4.5. Situation future et pistes d’aménagement
2.4.6. Modélisation : limites, conclusions et perspectives
Conclusion 
Bibliographie 
Annexes

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