Fonctionnement du réseau AEP sur le secteur Nord-Ouest de la 3CVV

Objectifs de l’étude

La mise à jour du schéma directeur AEP s’articule selon quatre axes d’études :
• diagnostic des ouvrages et description du fonctionnement du réseau,
• analyse qualitative et quantitative de l’eau à la production et en distribution,
• modélisation du fonctionnement hydraulique à l’aide du logiciel PORTEAU,
• schéma Directeur et programme de travaux.
Cette étude proposera une politique d’intervention aux élus et aux techniciens de la
Communauté de Communes, afin :
• d’assurer la sécurité de l’approvisionnement en eau de la totalité des communes desservies,
• de faire face à la demande en eau potable estimée à l’ horizon 2030,
• d’optimiser la gestion des ressources et des ouvrages, de compléter, de réorganiser, de réaménager les services de distribution,
• de supprimer les dysfonctionnements sur les réservoirs et sur les conduites,
• d’ estimer les dépenses relatives à chaque restructuration proposée,
• de pérenniser et de sécuriser les structures de distribution.
L’étude porte sur un territoire qui évolue très rapidement. En effet, cinq nouvelles villes ont intégré la Communauté de Communes ces deux dernières années et le schéma directeur réalisé en 2004 doit être mis à jour. Les conclusions du schéma directeur devront être complétées sachant que trois nouvelles communes ont intégrées la 3CVV en janvier et doivent transférer leurs compétences d’ici la fin de l’année.
L’étude devra donc impérativement prendre en compte cette évolution afin de pouvoir donner à la régie toutes les cartes dont elle aura besoin pour gérer son réseau dans les années à venir.

Inventaire des ouvrages existants

La 3CVV est un regroupement de communes qui auparavant exerçaient leurs compétences indépendamment. Il y a donc sur le territoire de la régie un grand nombre d’ouvrages et en particulier beaucoup de captages et de réservoirs. L’avantage d’un tel réseau est qu’il est bien sectorisé et qu’il est équipé de nombreux compteurs. Ainsi, malgré un faible nombre d’abonnés par km de réseau, le rendement est globalement bon (classification des réseaux en fonction de l’ILC et l’ILP par l’AERMC). Nombre de réservoirs sont surdimensionnés pour la consommation, ce qui augmente le temps de séjour de l’eau et donc augmente le risque d’un développement bactérien.

Description des différents sous-réseaux

Le schéma directeur a pour but de donner des solutions aux gestionnaires du réseau. Il faut donc exploiter au mieux les données mises à notre disposition. Un des atouts de ce réseau est sa sectorisation. Nous allons donc pouvoir diviser le réseau de la Communauté de Communes en plusieurs sous-réseaux en recoupant les différents relevés de compteurs.
Nous pourrons ainsi affiner notre modélisation en créant plusieurs modèles de consommation.
Nous pourrons donc différencier sept sous-réseaux sur le secteur étudié :
• Beaulieu, pour le bourg de Beaulieu,
• Varacieux Croix Blanche, qui dessert principalement le bourg de Varacieux,
• Varacieux Faita, sur la partie nord de la commune,
• Quincieu,
• Serre-Nerpol,
• Chasselay,
• et le réseau de Chaumont, qui dessert le nord de Beaulieu, le nord-ouest de Vinay et un hameau de Serre-Nerpol.

Bilan Besoins-Ressources

Généralités et hypothèses

Généralités

Le bilan besoins-ressources est établi en comparant les volumes distribués en sortie des réservoirs aux volumes disponibles sur les différentes ressources. Il est calculé pour la situation la plus défavorable de concomitance entre la production de pointe des réseaux et l’ étiage des ressources.
Ce calcul est réalisé pour la situation actuelle puis pour les échéances de Moyen Terme (2020) et Long Terme (2030), en considérant l’ évolution de la population.
Il apparaît comme un outil de prévision d’ une situation défavorable dont les impacts seront étudiés plus finement dans les phases ultérieures de l’ étude (modélisation). Cette analyse débouchera sur des propositions qui permettront à la Communauté de Communes de Vinay :
• de connaître la réaction des réseaux en cas d’ occurrence de cette situation défavorable de concomitance entre la production de pointe des réseaux et l’ étiage des sources,
• d’ anticiper les éventuels problèmes de déficit en eau à moyen et long terme, en prévoyant les aménagements, restructurations et/ou actions nécessaires.

Hypothèses

Pour chaque sous-réseau, le ratio de consommation par abonné a été conservé pour calculer le besoin domestique. Ce ratio a été déterminé à partir de l’étude des consommations sur la facturation de chaque secteur. Les volumes communaux, la vente en gros, et les consommations industrielles ont également été étudiés à partir de la facturation.
Pour réaliser le calcul des besoins futurs, l’hypothèse est que l’ensemble de ces données et le ratio de consommation par abonné domestique restent constants dans le futur. La variable qu’il faudra ajuster pour chaque calcul sera le nombre d’abonnés domestiques. L’évolution du nombre d’abonnés sera déterminée à partir de l’évolution de la population sur l’ensemble des communes.
Par ailleurs, à l’ état futur, nous avons considéré que le rendement des réseaux tendra à s’améliorer au fil du temps et l’ augmentation du nombre d’ abonnés n’induira pas proportionnellement la même augmentation du linéaire de réseau (les zones urbanisables étant principalement situées à proximité des zones déjà bâties). Par hypothèse, le volume de pertes a été considéré comme constant.
De plus, l’ augmentation du prix de l’ eau constitue à l’ heure actuelle un élément modificateur des comportements : les abonnés sont plus attentifs à leur consommation en eau et soucieux de réaliser des économies.

Modélisation

La modélisation du réseau en l’état actuel correspond à la phase 2 du SDAEP et a pour objectif d’une part de tester des situations non encore observées sur le réseau et d’autre part d’examiner les impacts d’un manque d’eau ou de l’augmentation de la consommation.

Généralités

La modélisation a pour objectif de reproduire sur un logiciel approprié, le fonctionnement d’ un réseau de distribution.
Le logiciel PORTEAU est un outil de modélisation du comportement d’ un réseau maillé de distribution ou de transport d’ eau sous pression. Il permet de schématiser le réseau étudié par l’ emploi de tronçons pour les conduites et de nœuds pour les intersections. Ces éléments sont documentés de sorte que toutes les infrastructures présentes sur le réseau et toutes les conditions d’ utilisation puissent être représentées afin de rendre compte le plus fidèlement possible de la réalité PORTEAU permet donc :
• de schématiser l’ ensemble du réseau sous forme de nœuds auxquels sont affectés des « consommateurs » qui simulent la consommation des abonnés et de tronçons auxquels sont affectés différentes singularités (vannes, réducteurs de pression…) ayant un rôle fonctionnel dans le comportement du réseau
• de définir en entrée différentes courbes types de consommation, par tranches d’ une heure (type domestique ou industrielle) qui seront affectées aux abonnés,
• d’ injecter des débits de pompes ou des débits continus de captages,
• de calculer les débits en réseau maillé par itérations successives,
• de simuler les variations journalières de niveau des réservoirs (par tranches d’ une heure),
• de prendre en compte les singularités du réseau (réducteurs, stabilisateurs, clapets, robinets à flotteur…),
• de définir des lignes piézométriques et leurs variations au cours de la journée (débits, vitesses et pertes de charge par tronçons, pression résiduelle aux nœuds),
• de visualiser le marnage des réservoirs sur une période donnée,
La précision des simulations dépend fortement de l’ exactitude des données, des informations saisies et renseignées sur le modèle, mais aussi des paramètres de calcul. Le pas de temps du calcul et le niveau de détail de la structure doivent permettre d’obtenir un résultat juste et cohérent sans pour autant avoir des temps de simulation trop longs, voire impossibles pour les ressources disponibles.

Construction du modèle

Construction de son architecture

PORTEAU est composé dans sa structure de nœuds et de tronçons. Les nœuds peuvent être de trois natures différentes :
• les nœuds ordinaires représentent les points de consommation, les maillages de conduite, et les changements de canalisation,
• les nœuds ressources représentent les ressources, que ce soit captage ou forage,
• les nœuds réserve représentent les réservoirs.
Les nœuds sont principalement caractérisés par leur côte altimétrique, capacité, volume, débit prélevé, pression, nombre et type d’abonnés.
Les tronçons symbolisent les canalisations du réseau et sont caractérisés par leurs longueurs, diamètres et rugosités.
Avec la dernière version de PORTEAU il est désormais possible d’importer un fichier .dxf (Autocad). Cette fonctionnalité est très utile dans le sens où Autocad est un logiciel de dessin technique pluridisciplinaire adapté entre autres à la cartographie. Ainsi Alp’études dispose de nombreux cadastres et plans de réseaux sous Autocad .
Les principaux avantages de travailler sous Autocad puis d’importer le réseau sont les suivantes :
• PORTEAU conserve les longueurs et la forme des conduites,
• PORTEAU conserve les diamètres des conduites et l’altimétrie des nœuds,
• l’import se fait par calque, et il est possible de placer dans différents calques les réseaux à modéliser, ou a ne pas modéliser, sans perte d’information.
Un travail préalable est donc nécessaire pour différencier les conduites structurantes à modéliser des celles qui ne seront pas modélisées. Il faut ensuite bien faire attention à créer des polylignes jointes et reliées entre elles, sinon il importe une multitude de petites canalisations disjointes les unes des autres.
Une fois l’import réalisé il faut renseigner la rugosité des canalisations et donc créer plusieurs types de conduites pour les différents matériaux. La distinction sera ainsi faite entre la fonte récente, la fonte grise, le PVC et l’acier. Ensuite, il faut indiquer l’altitude des nœuds avec la carte IGN [5] qui est précise d’environ 10m. Enfin, il faut placer les « équipements tronçons », c’est-à-dire ajouter les stabilisateurs de pression, les limiteurs débits, les pompes, les vannes et les surverses.

Calage du modèle

Afin de reproduire le fonctionnement réel de réseau, il est nécessaire de procéder au calage du modèle. Pour cela, les données observées dans le cadre du suivi d’ exploitation ou d’ une campagne de mesure, sont nécessaires. Ces données sont :
• Volumes journaliers et leurs variations en sortie des réservoirs ou dans certains tronçons,
Ces données permettent de caler le modèle du point de vue « quantitatif et temporel ». Les paramètres du logiciel (caractérisation des modèles consommateurs, variation des consommations au cours d’ une journée…) sont renseignés afin de reproduire le fonctionnement du réseau à l’ identique à un instant donné.
• Essais débit/pression sur les poteaux incendie.
Ces données permettent de caler le modèle du point de vue « constitutif ». Les poteaux d’incendie sont replacés sur le modèle et les caractéristiques des canalisations (rugosité…) sont corrigées jusqu’ à obtenir les mêmes pressions dynamiques que celles observées en réalité.

Calage quantitatif en volume

Les valeurs de production issues du recueil des données ont donc servi de base au calage du modèle.
Les données de télégestion ont permis d’ établir les modèles de consommateurs sur les secteurs individualisés prédéfinis au début de l’étude. Ces modèles de consommateurs permettent de prendre en compte :
• les différentes courbes de production en fonction des secteurs considérés.
• les variations journalières de la production
• les volumes de pertes
Les modèles de consommateurs sont ensuite répartis sur les nœuds, en différents points du réseau afin de simuler la répartition spatiale des abonnés sur le réseau de distribution.
Le tableau 14 récapitule pour chaque sous-réseau du secteur étudié les volumes distribués sous PORTEAU et les volumes issus du rôle des eaux.

Exploitation du modèle

Suite aux calages en volume et en pression, le modèle peut être exploité en situation de pointe actuelle et future. Les simulations permettront de mettre en évidence les limites de fonctionnement du réseau mais également de simuler les restructurations.
Toutes les simulations se font avec le débit des ressources à l’étiage. Afin de se positionner dans la situation la plus défavorable et pour avoir une sollicitation du réseau maximale, deux des trois simulations vont cumuler le débit d’étiage et la consommation du jour de pointe, même si dans la réalité une telle situation est peu probable.
Les principaux paramètres que nous allons analyser lors de ces simulations :
• la pression minimale sur les nœuds de consommation,
• la pression maximale,
• le marnage des réservoirs,
• la sollicitation des ressources,
• le fonctionnement des pompes.
Les modélisations sont faites sur 24 ou 72h en fonction des résultats, et avec un pas de temps d’un quart d’heure. De plus les modélisations ne prennent pas en compte l’arrêt d’exploitation du forage de la Croix Blanche, celui-ci est donc conservé pour les trois simulations.

Modélisation de la situation actuelle moyenne

Cette modélisation correspond à celle utilisée pour le calage du modèle. Elle est faite avec une consommation moyenne des abonnés et pour l’étiage des ressources. Cette simulation permet d’identifier problèmes existants sur le réseau en situation « normale » de fonctionnement.
Les gestionnaires du réseau nous ont déjà fait remonter quelques dysfonctionnements. Nous devons les retrouver lors cette simulation.
Ces dysfonctionnements sont :
• un problème de marnage sur les réservoirs de Fayarde et Quincise,
• des problèmes de stagnation de l’eau au réservoir de Charroi,
• des fortes pressions dans Serre-Nerpol
La figure 11 est le résultat de la première simulation, où ont été affichées les pressions minimales sur la durée du temps de calcul.

Modélisation de la situation actuelle de pointe

Cette simulation a pour but de déceler les problèmes actuels lors d’une sollicitation maximale du réseau. Il faut donc se placer dans la situation la plus défavorable, c’est-à-dire quand toutes les ressources sont à l’étiage en même temps et que tous les sous-réseaux subissent la consommation de pointe le même jour.
Pour cette simulation il suffit de remplacer les modèles de consommation moyenne par les modèles de consommation de pointe dans le logiciel PORTEAU.
Le premier paramètre à regarder pour une consommation de pointe est la pression minimale, car quand le débit est maximal, la pression est minimale. Pour cette simulation une baisse de pression doit être observée lors du pic de consommation journalier et il faut contrôler qu’elle ne passe pas sous les 2 bars au niveau des nœuds de consommation.
Suite à la simulation aucune baisse de pression significative n’est observée sur le secteur étudié.
Le second paramètre qui a été vérifié est la hauteur d’eau dans les réservoirs. Le tableau 18 présente les caractéristiques des réservoirs pendant la simulation :

Table des matières
Remerciements 
Résumé
Abstract
Sommaire 
Sigles et abréviations 
Liste des Tableaux 
Liste des Figures 
Introduction 
I Contexte général de l’étude
I 1 Présentation du bureau d’étude Alp’études
I 2 Présentation de la 3CVV
I 3 Données générales concernant le service eau potable
I 4 Présentation de la zone étudiée – Problématique générale
I 5 Objectifs de l’étude
II Fonctionnement du réseau AEP sur le secteur Nord-Ouest de la 3CVV
II 1 Fonctionnement global
II 2 Inventaire des ouvrages existants
II 3 Description des différents sous-réseaux
II 4 Liaisons avec d’autres entités distributrices
III Bilan Besoins-Ressources 
III 1 Généralités et hypothèses
a) Généralités
b) Hypothèses
III 2 Ressources disponibles
a) Quantité disponible
b) Qualité de la ressource
III 3 Volumes consommés, distribués et évolution de la population
a) Volumes consommés
b) Volumes distribués
III 3 Indices de performance du réseau
a) Généralité
b) Calcul des indices de performance
III 4 Evolution de la population
III 5 Bilan Besoins-ressources
IV Modélisation 
IV 1 Généralités
IV 2 Construction du modèle
a) Construction de son architecture
b) Modèles de consommations
IV 3 Calage du modèle
a) Calage quantitatif en volume
b) Calage qualitatif en pression
c) Exemple confirmant la nécessité du calage
d) Remarques
V Exploitation du modèle 
V 1 Modélisation de la situation actuelle moyenne
V 2 Modélisation de la situation actuelle de pointe
V 3 Modélisation de la situation future de pointe
V 4 Conclusion de la modélisation
VI Propositions de Restructurations
VI 1 Présentation de la solution retenue
VI 2 Dimensionnement des ouvrages
a) Dimensionnement du réservoir projeté de la Blache
b) Dimensionnement des pompages
c) Dimensionnement du secours de Quincieu
VI 3 Analyse économique
a) Coûts d’investissement du raccordement de Quincieu
b) Coûts d’investissement de la substitution de la Croix Blanche
Conclusion
Bibliographie 
Annexes
Annexe 1 : Organigramme Alp’études
Annexe : Extrait de la carte IGN des communes de Chasselay, Serre-Nerpol et Quincieu
Annexe 3 : Extrait de la carte IGN des communes de Varacieux et Beaulieu
Annexe 4 : Exemple de fiche de visite d’ouvrage
Annexe 5 : Schéma altimétrique du secteur étudié
Annexe 6 : Normes de qualité pour l’eau potable
Annexe 7 : Bilan ARS de Chasselay bourg 2010
Annexe 8 : Tableau des équivalences des coefficients de pointe
Annexe 9 : Calcul des Besoins sur l’ensemble du secteur
Annexe 10 : Paramètres de calcul du module Zomayet
Annexe 11 : Débits sortant du Réservoir de Montvinay
Annexe 12 : Modèles de consommation de Vinay
Annexe 13 : Courbe de consommation moyenne de Vinay
Annexe 14 : Courbe de consommation moyenne d’un industriel
Annexe 15 : Exemple fiche essais du SDIS
Annexe 16 : Modélisation des restructurations
Annexe 17 : Evolution du niveau d’eau dans le réservoir projeté de la Blache
Annexe 18 : Plan du raccordement de Quincieu
Annexe 19 : Plan de substitution de la ressource de la Croix Blanche à Varacieux
Annexe 20 : Détail de l’estimation des travaux pour le raccordement de Quincieu
Annexe 21 : Détail de l’estimation des travaux pour la substitution de la ressource en eau à Varacieux

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