Pépite | Modélisation d’un réseau de réservoirs en vue d’optimiser la gestion des eaux pluviales

Texte intégral

(1)Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. N° d’ordre : 42212. Année 2016. THESE. MODELISATION D’UN RESEAU DE RESERVOIRS EN VUE D’OPTIMISER LA GESTION DES EAUX PLUVIALES. Présentée par. Frédéric E. AMAMBA ITOUMBA Pour l’obtention du grade de. Docteur de l’Université Lille1-Sciences et Technologies Discipline : Génie Civil Ecole Doctorale Sciences Pour l’Ingénieur. Soutenue le 14 Décembre 2016 Devant le jury composé de :. Mme F. BRUE. Docteur. HEI-Lille. M. F. CHERQUI. MCF-HDR. Université Lyon 1. Rapporteur. M. J. ASSIH. MCF-HDR. Université de Reims. Rapporteur. M. Y. DELMAS. Professeur. Université de Reims. Membre. M. F. BUYLE-BODIN. Professeur. Université Lille1. Directeur de thèse. M. O. BLANPAIN. Professeur. Université Lille1. Co-directeur de thèse. © 2016 Tous droits réservés.. 1. Membre. lilliad.univ-lille.fr.

(2) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. © 2016 Tous droits réservés.. 2. lilliad.univ-lille.fr.

(3) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Remerciements. Avant tout, je voudrais remercier le Créateur de toutes choses pour Son soutient du début à la fin de ce travail de recherche. Mes remerciements vont ensuite aux différentes structures qui m’ont accueilli. Il s’agit du Laboratoire de Génie Civil et géo-Environnement (LGCgE) avec le Pr. I. SHAHROUR et particulièrement mon directeur de thèse, Pr. F. BUYLE-BODIN. Je suis honoré d’avoir eu l’opportunité de travailler avec vous et d’avoir bénéficié votre expérience, de votre savoir en général. Il s’agit également du Pr.O. BLANPAIN, co-directeur de cette thèse, avec qui j’ai appris à être visionnaire tout en étant pratique et efficace. A l’Etat Gabonais, qui m’a soutenu financièrement à travers l’ANBG, je suis aujourd’hui honoré d’avoir été sélectionné pour bénéficier de la bourse qui m’a été attribuée. Je souhaite qu’un jour ce travail de recherche puisse donner l’envie à d’autres jeunes comme moi de faire de hautes études. J’adresse aussi mes remerciements à l’équipe de recherche de CDI Technologies, et particulièrement aux docteurs M. BOUMAHDI et L. LEGRAND, pour m’avoir accueilli et orienté alors que je débutais dans ce domaine. A papa et maman, M. et Mme ITOUMBA KOUMBA, vous m’avez donné la stabilité et les moyens psychologiques et mentaux nécessaires pour arriver à ce niveau dans mes études. Cette thèse représente pour vous et toute notre famille, la récompense des efforts faits pour moi. Merci également à mon épouse Lindsay, pour avoir cru en mes quelques capacités depuis notre rencontre. Tu as misé sur le bon cheval. Au Dr G. APETE et à son épouse, dans vos yeux je trouve le désir d’aller plus loin pour atteindre le but que nous avons en commun. Enfin, à ma fille Alyssa Joy, papa te souhaite de faire mieux que lui…. © 2016 Tous droits réservés.. 3. lilliad.univ-lille.fr.

(4) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. © 2016 Tous droits réservés.. 4. lilliad.univ-lille.fr.

(5) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Résumé En milieux urbains imperméabilisés, ou dans les régions où les pluies d’orage sont fréquentes et violentes, il convient de stocker temporairement les volumes des précipitations dans des ouvrages de rétention avant de les relâcher à débit contrôlé dans les réseaux d’assainissement ou le milieu naturel, ce qui limite les risques de débordement des réseaux et les impacts environnementaux. La dimension de ces ouvrages de rétention peut vite être importante et leur implantation sur un site encombré devenir compliquée et onéreuse. La solution proposée dans ce travail de thèse est de répartir la rétention sur plusieurs ouvrages de rétention reliés entre eux par des canalisations et contrôlés par des ajutages, et de jouer sur leur capacité respective et les conditions de transfert pour optimiser le rejet dans le réseau ou le milieu naturel. Un outil de modélisation de type réservoir a été développé, qui représente avec un bon niveau de précision les hauteurs dans les ouvrages de rétention et les débits transférés en fonction du temps ainsi que de l’intensité et la durée de la pluie. Ce modèle simplifié incrémenté en fonction d’un pas de temps cohérent avec l’intensité de la pluie travaille en volumes et débit sans s’attarder sur les conditions hydrauliques d’écoulement. Il a été validé par plusieurs études de sensibilité sur des séries de 2 ou 3 réservoirs et ouvre la voie à un outil de pré dimensionnement rapide, robuste et fiable.. © 2016 Tous droits réservés.. 5. lilliad.univ-lille.fr.

(6) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Abstract In urban environments, or in the areas where the stormy showers are frequent and violent, it is advisable to temporarily store volumes of precipitations in retaining tanks before slackening them with flow controlled in the sewage networks or the natural environment, which limits the risks of flood and the environmental impacts. The dimension of these basins can quickly be important and their establishment on an encumbered site to become complicated and expensive. The solution suggested in this study is to distribute the retention on several basins connected to each other by pipes and controlled by nozzles, and to exploit their respective capacity and the conditions of transfer to optimize the rejection in the network or the natural environment. A numerical model named tank type was developed, which represents with a good level of precision the heights in the basins and the flows transferred according to time as well as intensity and the duration of the rain. This simplified model incremented according to a step of coherent time with the intensity of the rain works in volumes and flow without being delayed on the hydraulic conditions of flow. It was validated by several studies of sensitivity on meshes of 2 or 3 tanks and opens up the way for a tool for pre simple and reliable dimensioning.. © 2016 Tous droits réservés.. 6. lilliad.univ-lille.fr.

(7) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Sommaire :. Première Partie : La prise en compte renforcée des contraintes environnementales : une nouvelle approche technique pour l’assainissement pluvial /14. Chapitre I. Présentation des réseaux d’assainissement pluvial /16 I.1.. Historique, usages et description. I.2.. Pluviométrie, ruissellement. I.3.. Critères réseaux. bassin. versant. /16. réduit. et /21. « aval » de dimensionnement d’assainissement. des /32. Chapitre II. Les évolutions de l’assainissement pluvial: vers une gestion intégrée des eaux pluviales /39. © 2016 Tous droits réservés.. II.1.. Aspects qualitatif et quantitatif. /40. II.2.. Différents moyens et solutions possibles. /44. 7. lilliad.univ-lille.fr.

(8) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Deuxième Partie : Modélisation des ouvrages de stockage dans le contexte des techniques alternatives de gestion des eaux pluviales /62 Chapitre I.. Quels phénomènes faut-il représenter ? Quels sont les modèles disponibles ? /64. I.1.. Les phénomènes liés au fonctionnement des techniques alternatives /64. I.2.. Panorama des modèles utilisés par les professionnels /65. Chapitre II. Proposition d’un modèle fiable, robuste, rapide. © 2016 Tous droits réservés.. /72. II.1.. Modélisation de la pluie. /72. II.2.. Modélisation du bassin versant. /76. II.3.. Modélisation du stockage. /77. II.4.. Modélisation du transfert entre ouvrages /80. 8. lilliad.univ-lille.fr.

(9) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Troisième Partie : Mise en œuvre et validation du modèle /87. Chapitre I.. Etude paramétrique. /88. I.1. Influence de la durée de la pluie sur la simulation des techniques alternatives /88 I.2. Influence de la durée de la pluie sur la simulation des techniques alternatives /94 I.3. La relation volume-niveau d’eau. /94. I.4. Les paramètres de transfert. /95. Chapitre II.. Etude de différentes configurations. II.1. Ouvrages disposés en série II.2. Ouvrages disposés en maille. Chapitre III.. Validation de la pertinence du modèle. III.1. Vidange d’un ouvrage isolé.. /99 /114. /117 /118. III.2. Vidange d’une série de deux ouvrages /119 III.3. Vidange d’une maille d’ouvrages. Conclusion et perspectives. Références. © 2016 Tous droits réservés.. /122. /127. /131. 9. lilliad.univ-lille.fr.

(10) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Introduction Générale. En Europe et notamment en France, les réseaux d’assainissement existent depuis le 19ème siècle. Ils recueillaient essentiellement pour des raisons hygiénistes les eaux usées, auxquelles au cours du temps vont s’ajouter les eaux pluviales en raison de l’imperméabilisation de la ville et de l’amélioration des systèmes de voirie. Leur fonction était de transporter hors de la ville ces eaux, puis de les traiter par des procédés simples comme l’épandage avant de les rejeter dans le milieu naturel.. Leur fonctionnement initial était basé sur une autorégulation des flux les parcourant en raison du fonctionnement en surface libre. Des soupapes de sécurité comme les déversoirs d’orage viennent alors contrôler cet écoulement, mais avec le développement de l’urbanisation et l’augmentation des surfaces imperméables, les débits vont considérablement augmenter et entraîner un sur-fonctionnement de ces déversoirs au détriment du milieu naturel.. Pour remédier à cette situation, des règlements ou des préconisations visant à la protection du milieu naturel ont progressivement vu le jour. Ainsi l’évolution de la réglementation relative aux rejets urbains de temps de pluie, et particulièrement la directive européenne du 21 Mai 1991 et la loi sur l’eau du 3 Janvier 1992 renforcée par les arrêtés du 22 Décembre 1994 et du 22 juin 2007, impose un choix rigoureux des améliorations possibles des dispositifs (chambre de tranquillisation, pompe, grilleur, vanne…) avec comme objectif la réduction de l’impact des rejets sur les milieux récepteurs. L’arrêté du 21 juillet 2015 renforce encore ces objectifs en fixant de nouvelles limitations au rejet d’effluents non traités au milieu naturel par la réduction de la fréquence de déversement des déversoirs d’orage.. Pour atteindre ces nouveaux objectifs, trois solutions sont possibles : - Créer de nouveaux ouvrages de rétention et redimensionner les réseaux. C’est la solution la plus couteuse, voire irréaliste dans le contexte actuel de disette budgétaire pour les collectivités locales ; - Optimiser la capacité de rétention des ouvrages existants par un pilotage intelligent du fonctionnement global du réseau. Cette solution devrait. © 2016 Tous droits réservés.. 10. lilliad.univ-lille.fr.

(11) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. pouvoir s’envisager dans un avenir proche et présenter des coûts moindres, mais son développement nécessite des avancées scientifiques et technologiques pour être pleinement opérationnelles ; - Déconnecter partiellement les eaux pluviales des réseaux d’assainissement par l’usage des techniques alternatives. C’est une solution pertinente et déconcentrée, mais dont la mise en œuvre ne peut être que progressive, au fur et à mesure du renouvellement urbain.. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous nous intéressons à cette troisième solution. Les techniques alternatives qui visent soit à se déconnecter complètement des réseaux d’assainissement, soit à limiter leur charge, ont commencé à être réellement opérationnelles durant la dernière décennie du 20ème siècle. Mais elles peinent à se développer et ne sont toujours pas la première solution à laquelle les aménageurs pensent lorsqu’il s’agit de gérer les eaux pluviales d’une opération d’urbanisme. Parmi les raisons qui empêchent une dissémination large de ces techniques, on trouve l’absence d’informations, de formations et d’outils dédiés à leur conception. En conséquence de quoi, les bureaux d’études techniques chargés des études disposent d’un personnel technique qui, dans sa formation initiale, a majoritairement été formé à la conception et la gestion des réseaux d’assainissement, et non à celles des techniques alternatives. Côté outils, ils ont recours à des méthodes non adaptées comme l’IT77 ou à des logiciels dont la fonction première est la modélisation des réseaux d’assainissement comme Mike Urban, Infoworks, Canoe, … C’est pour remédier à ce manque d’outils qu’a été initié le projet COMETA (Conception d’Outils et de MEthodes dédiées aux Techniques Alternatives) par l’Université de Lille 1, le Syndicat Intercommunal d’assainissement de Valenciennes (SIAV) et l’éditeur de logiciels CDI Technologies. Ce projet, dont l’objectif final est de développer un logiciel dédié aux techniques alternatives, a permis de soulever différentes problématiques liées à ces dernières, comme par exemple la prise en compte des interactions métiers entre architectes, urbanistes, paysagistes et ingénieurs. La difficulté de représentation des phénomènes mobilisés par les techniques alternatives, comme l’infiltration, se heurte à l’aphorisme suivant : ce qui est simple est faux, ce qui est complexe est inutilisable. Parmi les problématiques identifiées, celle qui a donné lieu au travail de recherche présenté dans ce mémoire, est issue du constat que sur des opérations d’aménagement de type réhabilitation urbaine ou création de parc d’activités, les techniques alternatives, lorsqu’elles sont retenues, sont rarement conçues comme des ouvrages indépendants les uns des. © 2016 Tous droits réservés.. 11. lilliad.univ-lille.fr.

(12) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. autres mais le plus souvent comme des ouvrages en interaction et donc avec une structure de réseau. Ceci n’est pas un problème en soit, si ce n’est que la représentation du fonctionnement hydraulique de l’ensemble lors de la conception ne se fait que de l’amont vers l’aval sans tenir compte des hauteurs d’eau dans les ouvrages. Cette simplification amène souvent des disfonctionnements majeurs une fois les ouvrages réalisés. De ce constat est né le besoin d’un outil de modélisation permettant un calcul des transferts entre ouvrages cohérent et réaliste. Les outils disponibles actuellement sont soient : trop simplistes (par exemple le modèle Muskingum) et incapables de représenter correctement les phénomènes hydrauliques en jeu ; certes performants d’un point de vue hydraulique mais essentiellement tournés vers la modélisation de la propagation en conduite (équation de Barré de Saint Venant par exemple) ; extrêmement performants d’un point de vue hydraulique (éléments finis 3D) mais souvent limités à la modélisation d’un ouvrage unique et avec des temps de calculs prohibitifs. Nous en déduisons le cahier des charges suivant : être à même de représenter correctement les influences entre ouvrages (transferts fonction des hauteurs dans les ouvrages) ; avoir des temps de calcul extrêmement réduits (nous sommes ici dans une activité de conception et toute modification du projet doit pouvoir être quasi-instantanément évaluée). Pour répondre à ce cahier des charges, nous avons élaboré un modèle dont les bases conceptuelles sont : alors que les outils actuellement disponibles prennent comme hypothèse de départ qu’un réseau est un ensemble de conduites intégrant en son sein des ouvrages particuliers, nous prendront comme base de représentation qu’un réseau est un ensemble d’ouvrages particuliers reliés par des conduites ; afin d’assurer une stabilité et une robustesse sans faille des calculs ainsi qu’une grande vitesse d’exécution, nous éviterons tout calcul itératif de recherche d’équilibre bien que cela induise inévitablement une erreur. Pour illustrer notre démarche, le mémoire de thèse présente dans une première partie l’historique du développement des réseaux d’assainissement et le concept classique de réseau avec son débouché aval dans le milieu naturel. Il revient sur le renforcement des contraintes environnementales qui est une des raisons du développement des. © 2016 Tous droits réservés.. 12. lilliad.univ-lille.fr.

(13) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. techniques alternatives. Celles-ci sont détaillées, en particulier les réservoirs de rétention. Dans la deuxième partie sont présentés les différents modèles disponibles pour le dimensionnement des ouvrages de techniques alternatives, qui sont analysés en termes de limites, de précision et de pertinence. Il en ressort l’intérêt d’un modèle de synthèse, qui devrait être un compromis efficace. Le modèle est détaillé et son efficacité est discutée dans la troisième partie. Dans cette partie, différents paramètres du modèle sont manipulés pour vérifier sa cohérence à défaut de le valider dans sa précision. Progressivement, les données de sortie les plus pertinentes pour le concepteur sont mises en évidence et des règles plus globales de conception élaborées. Un mode de validation par expérimentation sur modèle réduit ou sur véritable réseau instrumenté est discuté. Enfin, le mémoire se termine par une conclusion et des perspectives.. © 2016 Tous droits réservés.. 13. lilliad.univ-lille.fr.

(14) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Première partie : La prise en compte renforcée des contraintes environnementales : une autre approche technique pour l’assainissement. Chapitre 1 : Présentation des réseaux d’assainissement pluvial I.. Historique, usages et description. I.1. Historique et usages d’un réseau d’assainissement. I.2. Description d’un réseau d’assainissement. I.3. Fonctionnement d’un réseau. II.. Pluviométrie, bassin versant réduit et ruissellement. II.1. de la pluie : du nuage au sous bassin versant.. II.2. évaluation des débits pluviaux : du bassin versant au réseau.. III.. Critères aval de dimensionnement des réseaux d’assainissement. III.1. Réduction des débits dans les réseaux imposée par la présence d’une station d’épuration en aval : cas du réseau unitaire.. III.2. Réduction des débits dans les réseaux imposée par la présence d’un déversoir d’orage. © 2016 Tous droits réservés.. 14. lilliad.univ-lille.fr.

(15) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Chapitre 2 : Les évolutions de l’assainissement pluvial : Vers la gestion intégrée des eaux pluviales I. II.. Aspect qualitatif et quantitatif La réduction des impacts, par la réduction des quantités à gérer dans les réseaux classiques : différents moyens et solutions possibles. A.. Au niveau des documents d’urbanisme. B.. Les Techniques Alternatives de Gestion des Eaux Pluviales Principe de fonctionnement et Inventaire. © 2016 Tous droits réservés.. 15. lilliad.univ-lille.fr.

(16) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Chapitre 1 :. I. I.1. Présentation des réseaux d’assainissement pluvial. Historique, usages et description Historique et usages d’un réseau d’assainissement. Le réseau d’assainissement permet, pour une surface de territoire donnée, à la collectivité qui en a la charge, de collecter, transporter et de rejeter les eaux usées et pluviales. Ses objectifs et le niveau de performance qu’on lui assigne ont varié suivant deux principaux critères, à savoir d’une part l’évolution temporelle de la constitution des villes dans les pays industrialisés, et d’autre part l’évolution des exigences hygiéniques et/ou de santé publique. Au milieu du 19ème siècle, les premiers réseaux d’assainissement ont été construits pour répondre à deux enjeux : - L’enjeu sanitaire, en évacuant le plus loin et le plus rapidement possible les eaux usées et les eaux pluviales. En effet, entre la fin du 18ème siècle, et le début du 19ème siècle, les usages de l’époque (fosses septiques), entrainent que les eaux pluviales et une grande partie des eaux domestiques sont rejetées sur la voie publique. Cet état de fait devient de plus en plus gênant, car à cette période [Triantafillou, 2008], les villes des pays industrialisés connaissent une forte augmentation de leur population. Il en découle logiquement une augmentation des rejets sur la voie publique, et par conséquent des nuisances sanitaires, olfactives et visuelles de plus en plus graves. Les épidémies de choléra de 1832 et 1848 à Paris viendront encourager la réflexion du courant hygiéniste sur les moyens à mettre en œuvre pour évacuer les eaux usées et pluviales de façon rapide et loin de la ville et sans que cela soit vu. C’est la naissance du système « tout à l’égout ». - L’enjeu de sécurité en cherchant à protéger les villes contre les inondations. Cette notion fut d’abord une priorité dans les grandes villes comme Paris où les dégâts causés par les inondations sont devenues de plus en plus incompatibles avec le statut de ville bourgeoise et commerçante. L’inondation du 21 mai 1857 à Paris servira pendant longtemps de référence pour le calcul des pluies dont il faut se prémunir. Les fossés, longtemps utilisés pour évacuer les eaux pluviales, sont peu à peu remplacés par des réseaux de canalisations enterrés qui dirigent ces eaux, et les eaux usées des habitations raccordées, vers les cours d’eaux à proximité des villes.. © 2016 Tous droits réservés.. 16. lilliad.univ-lille.fr.

(17) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Ces deux premiers enjeux ont gouverné la construction des premiers réseaux d’assainissement urbains, les réseaux unitaires, jusqu’à l’apparition d’une autre contrainte liée à la nature de ce type de réseau, à l’accroissement démographique des villes et à la prise en compte des dégradations environnementales. En effet, les rejets des réseaux unitaires, qui regroupent les eaux usées et les eaux pluviales, occasionnent une pollution jugée de plus en plus inacceptable par les riverains et les responsables des villes. Il devient alors indispensable de prendre en compte le nouveau facteur environnemental. Cette considération sera à l’origine de deux évolutions majeures des réseaux d’assainissement urbains. - Le développement des premières stations d’épuration dans les pays industrialisés. - L’avènement des réseaux séparatifs, qui ont deux principaux avantages à cette époque : permettre le contrôle de l’évacuation des eaux usées (en vue de l’épuration avant rejet) et réduire les coûts de construction liés à l’évacuation des eaux pluviales puisque celles-ci peuvent désormais ruisseler en surface dans des caniveaux et fossés sur de longs tronçons, avant d’être recueilli le plus tard possible dans des canalisations enterrées. En conclusion, les réseaux d’assainissement ont pour objectif de permettre aux villes la lutter contre les inondations dues au ruissellement pluvial, de protéger les populations contre les risques liés à la stagnation des substances contenues dans les eaux usées (eaux vannes, ménagères et industrielles), et de protéger le milieu récepteur contre les nuisances causées par ces mêmes substances. Au cours du temps, les recherches et les retours d’expériences ont permis de fixer des objectifs précis de performances qui peuvent varier selon les régions et les climats considérées.. I.2. Description d’un réseau d’assainissement. Selon [Triantafilou 2008], la structure d’un réseau d'assainissement classiquement utilisé dans les pays industrialisés consiste en un ensemble de conduites parcourant sous terre les zones urbanisées dans lesquelles les effluents s’écoulent à surface libre, ce qui impose des pentes minimales et éventuellement des stations de relevage. Ce réseau communique avec la surface par des ouvrages tels que les branchements, les avaloirs et les bouches. Les branchements assurent la liaison du réseau avec la surface. © 2016 Tous droits réservés.. 17. lilliad.univ-lille.fr.

(18) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. bâtie (logements, usines, etc.), tandis que les avaloirs et les bouches sont situés sur la voirie. Le réseau est organisé en arborescence descendante et en aval communique avec le milieu naturel par les déversoirs d'orage et les exutoires. D'autres ouvrages, qui s'interposent entre les différents types de canalisations (secondaires, primaires, émissaires), font aussi partie du réseau d'assainissement, tels que les regards de visite et d'accès, les stations de pompage, les bassins de retenue et de décantation, et les stations d'épuration. Un réseau d'assainissement est dimensionné en tenant compte de ses principes de fonctionnement : écoulement gravitaire entrainant le choix du diamètre en fonction de la pente, vitesse de circulation des eaux suffisante pour éviter les stagnations, épuration avant rejet dans l'exutoire qui limite le débit à la capacité de la station. Les effluents transportés par le réseau, par leur débit et leur composition, déterminent la dimension et l'emplacement des ouvrages qui le composent.. Figure 1.I.1 Réseaux d’assainissement unitaire séparatif. Source : Montpellier Métropole.. © 2016 Tous droits réservés.. 18. lilliad.univ-lille.fr.

(19) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Photo 1.I.1 Bouche avaloir latéral. Source : Ville d’Auray (56). Photo 1.I.2 Pose de regards de visite. Source : STRADAL. Photo 1.I.3 Elément de conduite circulaire en béton Φ1800mm. Source : Lecuyer-Béton.. La structure physique de l'ensemble des collecteurs qui constituent le corps du réseau, est définie par trois critères : -la localisation par rapport au milieu urbain de surface ou par rapport aux autres infrastructures (en particulier la voirie) ; -la géométrie et l'aspect physique de ses composantes (forme des canalisations, nature des matériaux de construction) ; -la forme de la section des canalisations est en général circulaire ou ovoïde ; -les dimensions des tuyaux sont directement déterminées par le débit des effluents transportés et la pente. Les diamètres sont de l'ordre de 150mm (branchements) jusqu'à 2000mm voire 4000mm (grands émissaires) ; -les matériaux utilisés à nos jours pour la fabrication des canalisations sont le béton (armé le plus souvent), le fibrociment, le grès, le polychlorure de vinyle et la fonte ductile. Par contre, la plus grande partie des réseaux. © 2016 Tous droits réservés.. 19. lilliad.univ-lille.fr.

(20) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. construits au XIXème siècle et au début du XXème siècle sont en maçonnerie de briques ou de pierres. - les liaisons existantes entre les différents tronçons qui composent le réseau et les différents ouvrages qui s'y interposent.. I.3. Fonctionnement d’un réseau. Le réseau d'assainissement urbain a pour objet de recueillir les effluents produits dans la ville et de les transporter vers la station d'épuration. Après traitement les eaux usées épurées sont déversées dans le milieu naturel soit directement dans le réseau hydrographique de surface ou dans le sol, par l’intermédiaire de bassins et de puits d'infiltration. Les effluents urbains se décomposent en : - les eaux pluviales ou de ruissellement (E.P.) ; - les eaux usées ménagères (E.U.) ; - les excréta humains (E.H.) ou eaux vannes ; - les eaux industrielles ayant ou non subi un prétraitement. Les eaux usées ménagères, les eaux vannes et les eaux industrielles, sont actuellement considérées comme des eaux polluées, qui doivent donc être traitées avant d'être déversées dans les exutoires. Par contre, les eaux pluviales sont tenues pour des eaux propres, ou plus exactement pour des eaux non polluées. Cette considération est de plus en plus révisée étant donné que la pollution atmosphérique dans les grands centres urbains, de même que la saleté des surfaces imperméables, augmentent fortement la pollution des eaux de ruissellement. Mais la pollution due aux eaux pluviales est un phénomène complexe encore mal connu et difficile à analyser et en raison de la diversité des situations. La mise au point et la diffusion de moyens de traitement de cette pollution restent encore limitées.. Selon la nature des effluents transportés par le réseau, on peut distinguer trois systèmes de collecte : - le système séparatif qui consiste à réserver un réseau à l'évacuation des eaux usées domestiques (et souvent aussi aux effluents industriels), alors que l'évacuation des eaux pluviales est assurée par un autre réseau (canalisations, fossés, caniveaux, écoulement superficiel...) ; - le système unitaire qui consiste à évacuer l'ensemble des eaux usées et pluviales par un seul réseau, généralement pourvu de déversoirs,. © 2016 Tous droits réservés.. 20. lilliad.univ-lille.fr.

(21) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. permettant en cas d'orage le rejet direct par surverse d'une partie des eaux dans le milieu naturel ; - le système pseudo-séparatif qui consiste à réaliser un réseau séparatif particulier pour lequel il est admis que le réseau d'évacuation des eaux usées peut recevoir certaines eaux pluviales (toitures, caves...) en provenance des propriétés riveraines. Dans ce cas, la fonction du réseau d'évacuation des eaux pluviales est réduite à la collecte et à l'évacuation des eaux ruisselant sur la chaussée et les trottoirs. Les installations les plus anciennes sont de type unitaire. Le système séparatif se généralise après la deuxième guerre mondiale en Europe comme aux Etats-Unis. Le transport des eaux se fait en général par voie gravitaire, exigeant une pente minimale des collecteurs. L'eau est utilisée pour le transport des matières solides. Cependant des stations de relèvement ou de refoulement sont souvent mises en place dans des cas spéciaux (terrains plats, terrains accidentés). Le fonctionnement hydraulique du réseau d'assainissement est déterminé par trois facteurs : - la nature des eaux à évacuer ; - le débit réel maximum à transporter ; - les débits que les conduites sont capables d'écouler, c'est-à-dire la capacité hydraulique du réseau.. II.. Pluviométrie, bassin versant réduit et ruissellement. Comme nous l’avons indiqué ci-dessus, l’un des objectifs principaux d’un réseau d’assainissement collectif est la lutte contre les inondations dues au ruissellement pluvial, par la détermination des sections d’ouvrages qui permettront un écoulement gravitaire des volumes recueillis sans débordement, tout en assurant des vitesses suffisantes pour l’auto curage. Dans ce chapitre nous exposerons les méthodes disponibles pour évaluer les volumes recueillis par les réseaux de collecte des eaux de ruissellement. Puis il s’agira de déterminer les paramètres et contraintes à prendre en compte lors du calcul des ouvrages de transport et de stockage-restitution des eaux pluviales. Enfin, dans le chapitre suivant nous nous attarderons sur les stations d’épuration et leur rôle dans la. © 2016 Tous droits réservés.. 21. lilliad.univ-lille.fr.

(22) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. détermination des débits de pointes autorisés dans les réseaux de transport des eaux pluviales.. II.1 Evaluation de la pluie : du nuage au bassin versant Les premières mesures des pluies remontent au IVème siècle avant notre ère et sont liées aux préoccupations agricoles de différentes civilisations indiennes [CHOCAT & al. 1997]. En Europe, les premières mesures des pluies sont plus récentes. Elles ont débuté dans les grandes villes aux alentours du XVIIème siècle. Ces observations anciennes ne permettaient de connaître les précipitations qu'à l'échelle de la journée ou au mieux de l'heure. De plus, la faible densité spatiale des observations ne permettait pas de comprendre et de modéliser la dynamique des phénomènes. L’application de l’hydrologie dans le domaine urbain nécessite en effet de connaître les caractéristiques des précipitations à des échelles de temps courtes, inférieures à l'heure et sur des pas d'espace fins, de l'ordre de l'hectare. Ceci est d’autant plus important que les risques de débordement, de dysfonctionnement des stations d’épuration et les déversements dans le milieu naturel sont directement liés aux volumes d’eau pluviale recueillis par les réseaux d’assainissement. Ces contraintes expliquent l'évolution des appareils de mesure et la création de réseaux pluviométriques. En France par exemple, les services de Météo-France ont progressivement doté le territoire d’un réseau de pluviographes capables de fournir des séries de mesures de pluie sur des pas de temps courts (de l’ordre de quelques minutes). Ces mesures permettent d’établir, à l’aide de méthodes statistiques, des courbes représentant la fréquence (F) de dépassement d’une certaine intensité moyenne maximale (Imm) pour un événement pluvieux d’une durée (D). Les courbes IDF concernent des événements pluvieux de période de retour allant de 1 mois à 100ans, sur des durées variant de quelques minutes à plusieurs heures, ayant des intensités qui peuvent aller jusqu’à quelques centaines de mm/h. Selon la finesse du maillage des appareils de mesure, les courbes IDF permettent donc de déterminer la pluviométrie d’une zone plus ou moins vaste. La détermination des courbes IDF étant issue d’un calcul statistique appliqué à une série de mesures, il est nécessaire de disposer de mesures sur une durée allant de 3 à 5 fois la période de retour T selon BertrandKrajewski et al. (2000).. © 2016 Tous droits réservés.. 22. lilliad.univ-lille.fr.

(23) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Image 1.I.4 Réseau de pluviomètre de L’Île de la Réunion, Source : Météo-France 2013. Image 1.I.5 Réseau de pluviomètre de Mexico City, Source : MéndezVenegas et al.2013. Image 1.I.6 Pluviomètre à LilleLesquin. Source : infoclimat.fr. Cet état de fait explique en partie la préférence incontestée jusqu’aux années 1950 (Chocat et al. 1997) du choix d’une période de retour de 10 ans pour le dimensionnement hydraulique des réseaux d’assainissement.. © 2016 Tous droits réservés.. 23. lilliad.univ-lille.fr.

(24) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Aujourd’hui, les services de Météo-France disposent de 554 stations météorologiques pour mesurer les événements pluvieux et répondre à ce besoin. Etant donné que la nature des averses est étroitement liée au climat local et à sa géographie, la France métropolitaine a été divisée en 3 régions pluviométriques homogènes par l’Instruction Technique 77-284 INT, identifiées chacune par des coefficients a, b et c. La littérature technique propose de nombreuses formules d’ajustement mathématique des intensités maximales observées par les pluviomètres. Nous citerons ici les plus utilisées en France : La formule donnée par Talbot en 1904:. 𝒂(𝑭). eq 1.I.1. 𝑰(𝑫, 𝑭) = 𝑫+𝒃(𝑭). La formule donnée par Montana dans les années 1930 valable uniquement pour D>5 ou 6 minutes car lorsque D →0, I(D,F)→∞) : 𝑰(𝑫, 𝑭) = 𝒂(𝑭). 𝑫−𝒃(𝑭) eq 1.I.2. La. formule. donnée. par. 𝑰(𝑫, 𝑭) =. Keifer. et. Chu. 𝒂(𝑭). (1957): eq 1.I.3. 𝑫+𝒃(𝑭))𝒄(𝑭). Avec : D en minutes : la durée de pluie ; F : la fréquence de dépassement de l’intensité moyenne maximale ; I(D,F) l’intensité pluviomètre;. moyenne. maximale. de. pluie,. mesurée. par. un. a, b et c : des coefficients numériques dépendant de la fréquence F (ou de la période de retour T), du site de mesure et de la durée D des pluies. Néanmoins, pour des études plus fines comme par exemple le réglage des déversoirs d’orage ou l’impact des rejets par temps secs, on peut recourir à des mesures locales de pluie. Elles correspondent à un maillage plus fin et peuvent être plus représentatives de la pluviométrie locale. La notion de courbe IDF a été critiquée pour plusieurs raisons : - les événements pluvieux sont souvent différents les uns des autres, même pour des événements observés sur 2 périodes consécutives pendant la même durée. - la nécessité de durées d’observations très longues pour minimiser les incertitudes; - la nécessité que lors des mesures, ni les conditions de mesures ni les conditions climatiques ne soient modifiées ;. © 2016 Tous droits réservés.. 24. lilliad.univ-lille.fr.

(25) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. - les mesures et les ajustements effectués pour établir les courbes IDF ne prennent pas en compte l’hétérogénéité météorologique des pluies mesurées. Mais cette notion de courbe IDF présente plusieurs avantages : - c’est la seule méthode qui permet d’associer un risque chiffré à un aléa pluvieux ; - elle est indispensable pour évaluer la période de retour associée à une pluie observée ; - elle fournit les valeurs nécessaires pour appliquer la circulaire Caquot ou la méthode rationnelle, et elle sert de base pour calculer les pluies de projet les plus utilisées. Plus récemment, la philosophie en matière d'analyse pluviométrique a évolué. Les recherches actuelles s'orientent de plus en plus vers l'utilisation non plus d'averses types, mais de générateurs stochastiques d'averses permettant de simuler une multitude d'averses dans des conditions de variabilités spatiales et temporelles très diverses. Mais notre travail s’appuiera sur les pluies de projet, qui servent de base à l’application de l’Instruction Technique qui accompagna la circulaire 1333 en 1949 (circulaire CAQUOT).. II.2 Evaluation des débits pluviaux : du bassin versant au réseaux. Les pluies de projet sont des hyétogrammes qui représentent l’intensité de pluie qui tombe sur un bassin versant en fonction d’un pas de temps. Le paragraphe suivant, tiré de l’Encyclopédie de l’Hydrologie Urbaine et de l’Assainissement [Chocat et al., 1997], décrit le principe général de la construction des pluies de projet à partir des courbes IDF en vue du dimensionnement d’un réseau d’assainissement. « La pluie est un phénomène aléatoire par nature. Bien que la météorologie sache en prévoir l’occurrence à plus ou moins brève échéance, il demeure impossible d'en connaître à l'avance la durée, le volume et l'intensité. L'enregistrement d'une pluie par un pluviographe à augets basculeurs permet d'obtenir l'ensemble de ces données et le hyétogramme i(t). Un tel hyétogramme est indispensable pour appréhender les phénomènes de ruissellement pluvial : il servira comme. © 2016 Tous droits réservés.. 25. lilliad.univ-lille.fr.

(26) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. valeur d'entrée dans les modèles. Dans la pratique les pluviographes fournissent i sur des pas de temps Δt de l'ordre de 1 à 5 minutes. Toutefois, le réseau actuel des pluviographes ne permet pas un maillage fin du territoire : en 1986, on disposait en France d'environ 1 100 pluviographes (Hémain, 1986), lesquels étaient loin d'être uniformément répartis sur le territoire national. Ils étaient également peu nombreux à fournir des données sur plusieurs dizaines d'années, d'où des difficultés pour obtenir des résultats statistiquement significatifs. Par ailleurs, les événements pluvieux les plus critiques du point de vue hydraulique pour les réseaux d'assainissement sont essentiellement les événements de type orageux, qui sont par nature très localisés et qui ont donc une probabilité très faible de se produire là où se trouve un pluviographe. Il résulte de ces deux constatations que, bien souvent, les données pluviographiques locales sur un réseau d'assainissement sont rarement suffisantes, tant en durée d'enregistrement qu'en fiabilité et en précision pour pouvoir faire fonctionner et ajuster des modèles. On a donc été amené à établir des pluies fictives, appelées « pluies de projet », définies par un hyétogramme synthétique et statistiquement équivalentes aux pluies réelles, bien que jamais observées. On leur affecte une période de retour qui est celle d'un ou plusieurs de leurs éléments constitutifs (Hémain, 1986), la période de retour étant l’intervalle de temps moyen séparant deux occurrences d’un événement donné. La pluie de projet vise ainsi à représenter, par un événement unique, les caractéristiques d'une pluviométrie locale qui affecte le réseau d'assainissement étudié. La notion de période de retour est importante : les réseaux sont dimensionnés pour une défaillance de période de retour le plus souvent égale à 10 ans. On considérera alors qu'une pluie de période de retour T génère un ruissellement dont les caractéristiques (débit de pointe, volume, etc.) ont une période de retour T', égale à T. Dans la réalité, l'analyse des pluies de projet montre qu'il n'y a pas identité des périodes de retour de la pluie et du ruissellement correspondant (Sieker, 1983 ; Hémain, 1986). Malgré ces constatations, qui tiennent à la construction même des pluies de projet, on admet généralement, pour des raisons de simplicité, que T' = T. Surtout si T' > T, puisque, pour le dimensionnement du réseau, cela va dans le sens de la sécurité de fonctionnement. Il faut noter également qu'il est impossible d'affecter une période de retour à un hyétogramme réel du fait de sa nature aléatoire : chaque pluie est unique et non reproductible (on n'a encore jamais observé deux pluies identiques).. © 2016 Tous droits réservés.. 26. lilliad.univ-lille.fr.

(27) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Il existe différentes méthodes d'élaboration des pluies de projet, toutes fondées sur une analyse statistique des événements pluvieux réels, soit à l'échelle locale si des données existent, soit à l'échelle régionale ou même nationale (Hémain, 1986 ; Arnell, 1982). Les autres données de base sont les courbes IDF (Intensité - Durée Fréquence) fournies par la météorologie. Les fréquences des hauteurs de pluie sur des intervalles de temps donnés sont alors prises comme fréquence des hyétogrammes établis, et donc comme fréquence des débits de pointe et des volumes de ruissellement correspondants. » Ainsi, afin de représenter la pluviométrie locale, nous aurons recours à des pluies de projet, et plus particulièrement des pluies de projet symétrique, de type simple et double triangle, qui résultent de l’analyse du modèle de réservoir linéaire développé par M. Desbordes [Guide de construction et d’utilisation des pluies de projet – 1983]. Ce type de pluie, de même période de retour de défaillance qu’une pluie réelle, se présente sous la forme d’un diagramme donnant la hauteur de pluie tombée pour un pas de temps donné. La hauteur d’eau précipitée, et la durée de pluie intense sont fonction des coefficients de Montana, qui sont eux même fonction de la région du bassin versant, et de la période de retour de défaillance. Rappelons que l’intensité de pluie est obtenue par la formule de Montana :. 𝐼 (𝐷, 𝐹) = 𝑎(𝐹) ⋅ 𝐷𝑏(𝐹). eq 1.I.4. Avec des pas de temps de l’ordre de 1 à 5mn, nous pouvons donc représenter la hauteur de pluie tombée sur un bassin versant de façon réaliste.. © 2016 Tous droits réservés.. 27. lilliad.univ-lille.fr.

(28) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Image 1.I.7 Pluie de projet simple triangle symétrique : D=30mn, région 1, T=10ans, Δt= 1mn. Transformation de l’intensité de pluie en volume injecté dans le réseau d’assainissement :. Lors des études réalisées sur des sous bassins versants de l’ordre de d’un hectare (mini bassins-versants), pour déterminer le volume de pluie, de nombreuses méthodes ont été développées. Les hyétogrammes de pluie de projet sont transformés en hydrogrammes injectés en entrée de réseau : c’est la transformation pluie-débit. Les concepteurs ont recours à: _des fonctions de production, donnant un hydrogramme de pluie nette prenant compte des pertes au ruissellement (par évaporation, interception de la végétation, rétention en surface, et infiltration). La littérature propose différentes méthodes, selon le type de perte que l’on veut modéliser :  . © 2016 Tous droits réservés.. fonction hortonienne et SCS pour modéliser l’infiltration dans le sol ; choix d’un coefficient de ruissellement constant ou variable pour modéliser l’imperméabilisation en zone urbanisée. 28. lilliad.univ-lille.fr.

(29) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Schéma1.I.1 Principe des différents cheminements de l’eau sur et dans le sol. Source : Encyclopédie de l’Hydrologie Urbaine. « La multiplicité des démarches envisageables montre qu’elles sont toutes imparfaites ou plutôt adaptées à des cas de figure bien précis. Aucune fonction de production ne permet de répondre correctement à tous les cas de figure. • Pour le ruissellement sur des sols « naturels », il paraît préférable d’adopter des démarches de type hortonienne ; • En milieu fortement urbanisé, la notion simple de coefficient de ruissellement constant est acceptable. » [Chamoux, 2003] Pour notre travail, nous aurons recours à l’utilisation d’un coefficient de ruissellement constant Cr. En effet, les techniques alternatives que nous modélisons sont le plus souvent mises en œuvre pour des opérations d’aménagement de type Z.A.C. ou de lotissement, où les surfaces revêtues occasionnent peu de perte au ruissellement et sont en lien direct et court avec les points d’entrée dans le réseau d’assainissement. Les valeurs du coefficient de ruissellement sont souvent disponibles dans des guides comme par exemple pour le Grand Lyon :. © 2016 Tous droits réservés.. 29. lilliad.univ-lille.fr.

(30) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Tableau1.I.1 Exemple de coefficient de ruissellement. [GrandLyon.com]. _Les fonctions de transfert qui permettent de représenter l’évolution de l’hydrogramme de pluie nette, lors de son passage sur le bassin versant. Là aussi, la littérature propose différents modèles que nous rappelons ici :    . modèle de l’hydrogramme unitaire méthode rationnelle méthode de Caquot modèles de type réservoir. Le CERTU [Cerema, 2003] propose un tableau d’aide au choix des fonctions de transfert et de production que nous reprenons ci-dessous : Ce tableau nous permet de valider notre premier choix de recourir à un coefficient de ruissellement constant, qui sera égal au coefficient d’imperméabilisation du sous-bassin versant. Il nous permet également de nous orienter vers la méthode du réservoir linéaire, avec ajustement des paramètres du modèle selon la méthode de Desbordes.. © 2016 Tous droits réservés.. 30. lilliad.univ-lille.fr.

(31) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Tableau1.I.2 Aide au choix d’un modèle en fonction de la nature du bassin versant et du type d’événement pluvieux. [CEREMA, 2003]. © 2016 Tous droits réservés.. 31. lilliad.univ-lille.fr.

(32) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. III Critères aval de Dimensionnement des réseaux d’assainissement Dans notre travail nous ne nous préoccupons pas de dimensionner les collecteurs, mais d’évaluer le débit maximal aval du réseau, qui sera le facteur limitant des rejets autorisés dans le réseau en amont.. III.1 réduction des débits dans les réseaux imposée par la présence d’une station d’épuration en aval : cas du réseau unitaire. Les stations d’épuration constituent le dernier élément d’un réseau avant le rejet dans le milieu naturel. Elles permettent de répondre à l’objectif de dépollution des eaux usées et pluviales, en vue de la préservation du réseau hydrographique récepteur. Cette dépollution des eaux transportées par le réseau unitaire répond à des normes environnementales, qui fixent la quantité et la qualité des effluents rejetés dans le milieu naturel soit par temps sec soit par temps de pluie. Pour garantir le bon fonctionnement physico-chimique de la station d’épuration, son fabricant doit s’assurer que le débit des effluents qu’elle reçoit reste en dessous d’une certaine valeur au-delà de laquelle sa capacité de traitement peut être remise en question. De plus, lors d’événements pluvieux exceptionnels (de longue durée, de forte intensité, très rapprochés) les volumes transportés par le réseau augmentent considérablement, occasionnant des dysfonctionnements hydrauliques au niveau de la station d’épuration qui les recueille. La présence d’ouvrages tels que les déversoirs d’orages permet alors de limiter le débit apporté à la station d’épuration, mais en rejetant directement dans le milieu naturel des effluents non traités. Cette solution satisfaisante d’un point de vue hydraulique et insatisfaisante d’un point de vue environnemental sera présentée dans le paragraphe suivant.. © 2016 Tous droits réservés.. 32. lilliad.univ-lille.fr.

(33) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Arrivée des eaux unitaires. 1/ Prétraitements. 2/ Décantation. 3/ Traitements biologiques. 4/ Clarification. Rejet vers le milieu naturel Schéma1.I.2 Principe des différents cheminements de l’eau sur et dans le sol. Source : Encyclopédie de l’Hydrologie Urbaine. Image 1.I.8 Principe de fonctionnement d’une station d’épuration. En amont, l’arrivée d’un réseau unitaire urbain. Source : Canal Belletrud. © 2016 Tous droits réservés.. 33. lilliad.univ-lille.fr.

(34) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Le bon fonctionnement des installations d’une station d’épuration est assuré pour un débit nominal qui ne doit pas être dépassé sous peine de dysfonctionnements soit hydrauliques (débordement) soit physicochimiques ou biologiques (dégradation des processus d’épuration). Il est donc indispensable de définir ce débit. Deux paramètres de dimensionnement amont sont à considérer, le débit de référence défini par le maître d’ouvrage qui prend en compte les surfaces de bassin versant et leur imperméabilisation, ajustée avec une valeur représentative du nombre d’habitants raccordés (nombre d’Equivalent habitant EH). A ces deux premiers critères, il faut rajouter les injections d’eaux parasitaires possibles sur le bassin versant. Le paramètre de dimensionnement aval concerne la limitation de la quantité et de la qualité des rejets dans le milieu naturel. La Directive européenne Eaux Résiduaires Urbaines (DERU) de 1991, la Directive Cadre Européenne (DCE) de 2000 traduite en Loi sur l’Eau et les Milieux Aquatiques (LEMA) en 2007, ainsi que la législation française ont fixé des seuils pour atteindre le « bon état » des eaux en 2015. Cette volonté s’est traduite dans le Code l’environnement par la décision de soumettre à autorisation la construction d’ouvrages d’assainissement tels que les stations d’épuration qui traitent une charge brute de pollution organique supérieure à 600 kg de DBO5.. Dans la pratique, pour tenir compte des évolutions possibles de l’urbanisation et des usages des sols, la station d’épuration est dimensionnée à partir d’un débit de référence, qui intègre par le biais de la réglementation les deux autres paramètres. Le document Gestion et Traitement des Eaux Pluviales1 édité par la presse territoriale indique : « Concernant la station d’épuration, il est demandé de définir deux débits caractéristiques : - le débit de référence de l’installation qui correspond au débit nominal (débit de temps sec et fraction du temps de pluie que la collectivité a décidé de traiter) pour des performances de traitement compatibles avec les objectifs de protection du milieu naturel - un débit supérieur correspondant à de plus fortes pluies pour lequel des performances moins sévères peuvent être autorisées.» Dans « régulation hydraulique des station d'épuration », il est dit que la station d’épuration doit faire face à deux types de contraintes :. © 2016 Tous droits réservés.. 34. lilliad.univ-lille.fr.

(35) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. - à l’amont : la collecte relativement peu fiable d’eaux usées (quantités, qualité) ; - à l’aval : la restitution régulière au milieu naturel d’un produit « normalisé » s’inspirant d’une démarche qualité. Selon un texte issu de la note du Ministère de l’Ecologie, du Développement Durable et de l’Energie sur le débit de référence du système d’assainissement, celui-ci est défini comme suit : « Le débit de référence des Stations d’épuration est la valeur fondamentale journalière pour le dimensionnement de la station de traitement des eaux usées (STEU) et du système de collecte et pour établir la conformité des stations au titre de l'application de la directive ERU. » « C’est le débit journalier au-delà duquel le niveau de traitement exigé par la directive 91/271/CEE n’est pas garanti. » L’art. 2.I e) de l’arrêté du 22 juin 2007 charge la collectivité maître d’ouvrage d’évaluer le débit de référence : « le débit au-delà duquel les objectifs de traitement minimum définis aux articles 14 et 15 ne peuvent être garantis ». Il revient ainsi à la collectivité de déterminer ce débit. L'article 5 de l'arrêté précise : Les systèmes de collecte doivent être conçus, dimensionnés, réalisés, entretenus et réhabilités conformément aux règles de l'art et de manière à : … - acheminer à la station d'épuration tous les flux polluants collectés, dans la limite du débit de référence. … L'article 9 de l'arrêté précise : Les stations d'épuration et leur capacité de traitement mentionnée à l'article R. 214-6 III c du code de l'environnement, sont dimensionnées de façon à traiter le débit de référence. L'article 15 de l'arrêté précise : « Les stations d'épuration doivent respecter les performances de traitement minimales indiquées au présent chapitre, pour un débit entrant inférieur ou égal au débit de référence mentionné à l'article 2. Elles peuvent ne pas respecter ces performances en cas de précipitations inhabituelles (occasionnant un débit supérieur au débit de référence). Ainsi, le débit de référence est déterminé par la collectivité à l’entrée de la station de traitement des eaux usées pour l’ensemble de l’agglomération, et validé par le service de police de l’eau.. © 2016 Tous droits réservés.. 35. lilliad.univ-lille.fr.

(36) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. III.2 réduction des débits dans les réseaux imposée par la présence d’un déversoir d’orage Les déversoirs d’orage sont des ouvrages hydrauliques présents sur les réseaux d’assainissement, principalement sur les réseaux unitaires. A l’origine simples ouvrages de délestage des réseaux d’assainissement lors des précipitations exceptionnelles, leur usage et leur fonction ont évolué avec les nouveaux objectifs des réseaux d’assainissement et les contraintes règlementaires. Utilisés en assainissement depuis la construction des premières stations d’épuration, les déversoirs d’orages ont pour fonction principale de délester le réseau aval afin de ne pas envoyer vers la station d’épuration un débit supérieur au débit de référence de celle-ci. Pour cela, les débits excédentaires sont dirigés vers le milieu naturel, et au mieux vers un bassin d’orage avant d’être redirigés vers la station d’épuration à débit contrôlé. Ils évitent ainsi les inondations dues aux pluies et les risques de dysfonctionnement des réseaux. Cette technique permet également de réduire la dimension des collecteurs à l’aval des déversoirs d’orage.. Photo 1.I.4. Déversoir d’orage latéral à Londres. Au cours des années 1980, la prise de conscience de la dégradation du milieu naturel par les déversements unitaires en temps de pluie (actée dans l’IT77) a conduit à assigner de nouvelles fonctions aux déversoirs d’orage. Ils deviennent ainsi de véritables points de dépollution avec l’intégration d’ouvrages tels que les dégrillages et les pièges à sables. De plus, Chocat et al. cite un certain nombre de critères fournis par [Balmforth & Henderson, 1988] pour évaluer les déversoirs d’orages :. © 2016 Tous droits réservés.. 36. lilliad.univ-lille.fr.

(37) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. - aucun déversement ne doit avoir lieu tant que l’on dispose de réserves de capacité de traitement à la station d’épuration ; - lorsque le déversoir fonctionne, le débit dirigé vers la station d’épuration doit être le plus constant possible ; - la masse de pollution acheminée vers la station d’épuration doit être maximale ; - le fonctionnement du déversoir doit être entièrement automatique ; - l‘ouvrage doit être autonettoyant et présenter un risque minimum de blocage. Cette liste, qui n’est pas exhaustive, montre bien que l’accent est mis sur la limitation des rejets directs vers le milieu naturel, et la diminution de la pollution quand les rejets sont inévitables. Et en cas de rejets, les aménageurs s’assurent, à travers le choix de la position du déversoir, que ceux-ci se feront à l’endroit où le milieu naturel est le moins sensible. Notons également que c’est à cette période que sont construits les premiers déversoirs à seuil modulables. On voit ainsi que la dérivation des effluents, et donc le dimensionnement des déversoirs d’orages, se fait principalement en fonction des conditions aval du réseau. A savoir le débit de référence de la station d’épuration ou le débit maximum à respecter sur une portion de réseau.. Sur le plan réglementaire, l’objectif est la limitation des rejets directs et l’autosurveillance assurée par les exploitants des réseaux, supervisés par les agglomérations, et contrôlée par les services de Police de l’eau. L’article L.216-6 du code de l’environnement prévoit la taxation des rejets au-delà des seuils fixés dans les autorisations de construction à hauteur de deux ans d'emprisonnement et de 75 000 euros d'amende. Dans les cas de pollution du milieu récepteur par des rejets "autorisés", seul l’article L.432-2 du code de l’environnement peut permettre d’engager des poursuites pour délit d’atteinte à la vie piscicole. Selon l’étude bibliographique réalisée par Vasquez, et al. 2006, on peut classer les déversoirs d’orages en deux catégories : les déversoirs à seuil et les déversoirs sans seuil. La première catégorie regroupe les ouvrages dont le tronçon de dérivation est alimenté dès que la charge amont dépasse la hauteur du seuil, tandis pour les déversoirs sans seuil, le délestage se fait via une cavité dans la paroi de la conduite amont. Mais pour chacune de ces catégories, les déversoirs d’orages doivent répondre principalement au double objectif : éviter la surcharge hydraulique de la station d’épuration aval, éviter ou limiter au maximum les volumes des rejets avec une réduction maximum de leur pollution par. © 2016 Tous droits réservés.. 37. lilliad.univ-lille.fr.

(38) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. temps de pluie. A cela, on peut ajouter aussi la contrainte d’éviter tout déversement en temps sec.. © 2016 Tous droits réservés.. 38. lilliad.univ-lille.fr.

(39) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. Chapitre 2 : Les évolutions de l’assainissement pluvial : vers la gestion intégrée des eaux pluviales. En milieu urbain, notamment dans les pays industrialisés, les eaux pluviales sont évacuées depuis les années 1960 via des réseaux de canalisations enterrées [Chocat et al.]. Les parties de réseaux situées en amont sont plus récentes car liées à l’expansion spatiale des villes. Tandis que les réseaux de la partie aval sont le plus souvent anciens. Leur réalisation peut parfois dater de plusieurs décennies [Chamoux et al.]. Ces réseaux n’ont pas toujours connu de réhabilitation, bien qu’ils soient confrontés à des événements pluvieux qui provoquent des flux et des volumes pour lesquels ils n’ont pas été dimensionnés, tels par exemple la crue du 3 octobre 1988 à Nîmes [Chocat et al.].. Photo 1.II.1 Inondation à Nîmes le 3/10/1988. Crédit photo : nimes.fr. © 2016 Tous droits réservés.. 39. lilliad.univ-lille.fr.

(40) Thèse de Frédéric E. Amamba Itoumba, Lille 1, 2016. I.. Aspects quantitatif et qualitatif. Le schéma ci-dessous présente l’ensemble des phénomènes que subissent les eaux pluviales en milieu urbain lorsqu’elles quittent l’atmosphère :. Schéma1.II.1 Pertes au ruissellement, Source : Pr O. Blanpain.. Les réseaux d’assainissement sont directement alimentés par les volumes qui proviennent du ruissellement en surface. Le ruissellement, bien qu’inévitable, est fortement modifié en milieu urbain. D’une part, sur un bassin versant donné, le volume ruisselé est augmenté par la saturation plus ou moins rapide des sols perméables : proximité d’une sous-couche imperméable, présence d’un aquifère peu profond qui se remplit durant la pluie et donc diminue la capacité du sol à s’infiltrer. D’autre part, on observe l’accroissement des pointes de débits ruisselés, à cause de l’imperméabilisation des sols en milieu urbain. L’image ci-dessous présente la corrélation qui existe entre l’imperméabilisation des sols, et l’accroissement qualitatif et quantitatif des hydrogrammes de ruissellement.. © 2016 Tous droits réservés.. 40. lilliad.univ-lille.fr.