Que ce soit pour se prémunir des crues ou des risques sanitaires de la ressource en eau, ou tout simplement pour avoir une meilleure connaissance du milieu, les mesures continues dans le domaine de l'eau prennent aujourd'hui une place de plus en plus grande. Pour recueillir ces informations, les organismes compétents (les régions, les départements') mettent en réseau ces stations d'alerte et de surveillance afin de mesurer en permanence la ressource et déclencher l'alerte dès qu'un paramètre sort de ses tolérances.
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Technoscope
Que ce soit pour se prémunir des crues ou des risques sanitaires de la ressource en eau, gérer en temps réel des systèmes d’assainissement ou tout simplement pour avoir une meilleure connaissance du milieu, les mesures en continu dans le domaine de l’eau prennent aujourd'hui une place de plus en plus grande. Pour recueillir ces informations, les organismes compétents (les régions, les départements ...) mettent en réseau ces stations d'alerte et de surveillance afin de mesurer en permanence la ressource et déclencher l'alerte dès qu'un paramètre sort de ses tolérances.
Actuellement en France, plusieurs centaines de stations de mesure surveillent en continu la hauteur des rivières et des nappes phréatiques et la qualité de l'eau au niveau de la ressource. Organisées en réseau de bassin, elles guettent l'arrivée des crues ou la sécheresse, elles détectent l'absence de pollution d'un cours d'eau, d'une nappe phréatique ou d'une zone côtière. Dès que les capteurs constatent un événement anormal, la station alerte les collectivités territoriales pour qu'elles s'organisent et gèrent la crise.
Grosses productrices d'informations, de nombreuses stations de surveillance mettent aussi leurs données à la disposition du RNDE (Réseau National des Données sur l'Eau) pour alimenter les banques de données thématiques couvrant des domaines très précis, à savoir l'hydrométrie, la pluviométrie, la qualité des eaux littorales, les populations piscicoles. Ils sont ainsi plus de cinquante réseaux répondant aux critères du système d'information sur l'eau piloté par le RNDE. Pour pouvoir fédérer l'ensemble des systèmes de mesure, il est important de leur faire « parler » le même langage.
Pour ceci, l'Ineris a travaillé avec le Ministère de l'Écologie et du Développement durable et des experts du secteur au développement d'un référentiel PLQ 2000 pour la station d'acquisition.
Standardiser le référentiel d'acquisition
Dans une station d'alerte, les capteurs de mesure sont reliés à une station d'acquisition chargée de collecter l'information provenant de capteurs. Si les capteurs sont capables de transformer un événement physique ou chimique en grandeur électrique, il est très difficile d'exploiter directement ce signal qu'il faut conditionner pour qu'il soit compris par les autres équipements, notamment par les systèmes d'alerte et les centres de prise de décision lors d'une gestion de crise. Pour ceci, les stations de mesure s'équipent d'un système d'acquisition qui va formater ce signal et l'envoyer vers un espace de stockage ou un ordinateur central.
Ce système assure non seulement la gestion locale de l'information, mais il compare la mesure à un seuil d'alerte et déclenche une alarme dès que le niveau d'eau dépasse une cote au-dessus ou au-dessous duquel cela pose un problème. Cette partie électronique est également chargée de transmettre les données à distance, soit par ligne téléphonique classique, soit par radiofréquence, soit par ligne GSM. Elle surveille encore le bon état de fonction.
…ment de l'ensemble et donne l'alerte en cas de défaillance.
Centralp a développé depuis 1985 des centrales de mesures multiparamètres dans le cadre de marchés passés par EDF et le Ministère de l'Environnement. Pour EDF, une centrale monovoie autonome (réseau Schtroumpf) de très faible consommation transmettait les relevés par l’intermédiaire d'une liaison téléphonique standard. Les centrales multivoies dédiées au Ministère de l'Environnement (système NOE) permettaient la transmission à distance par ligne téléphonique ou modem radio des mesures effectuées. La technologie faible consommation de ce produit autorisait un fonctionnement par panneau solaire ou batterie. Ces deux produits offraient déjà à l’époque de larges possibilités de configurations adaptées aux différents types de capteurs.
Pour la surveillance du milieu naturel, OTT France a développé Logosens, un système d'acquisition et de transmission de données. Il enregistre en continu les valeurs mesurées par les capteurs analogiques ou numériques raccordés à la station, jusqu'à 30 paramètres peuvent ainsi être mesurés et enregistrés simultanément. La télétransmission des données ou des messages d'alerte à distance est assurée par des vecteurs de communication comme des modems RTC ou GSM, des modems radios ou encore des transmetteurs satellites.
Autre contrainte à laquelle doit se plier le système d'acquisition, la nature même du phénomène surveillé. Pendant des semaines, voire des mois, les capteurs mesurent un des paramètres évoluant peu comme le niveau d'eau, par exemple. Puis, brutalement, ils doivent faire face à une évolution rapide, voire très rapide du phénomène que la centrale d'acquisition doit obligatoirement pouvoir « signaler » pour déclencher l'alerte. C'est le cas notamment lorsque le système de surveillance est installé sur le bassin d'un cours d'eau au régime méditerranéen, où il doit pouvoir réagir à des crues éclairs.
Pour garantir une communication rapide sur une crue locale, les données doivent être accessibles et disponibles immédiatement par tout décisionnaire concerné (maire, préfet, pompier...). L'acheminement rapide de l'information, de la station de mesures jusqu'aux utilisateurs finaux représente le point stratégique dans la prévision efficace des risques d'inondation. L'évolution des technologies de communication avec l'arrivée des moyens de transmission de données par messagerie SMS, Inmarsat C ou Internet permet aujourd...
Il s’agit aujourd’hui d’assurer un cheminement plus rapide et plus fiable de l'information d'une station de mesure de terrain jusqu'à l'ensemble des utilisateurs concernés. Ce mode de communication asynchrone est actuellement à l'essai dans le cadre du projet ressource initié par l'Agence de l'Eau Adour-Garonne. Ce projet est accompagné par OTT France et Novacom Services.
Dès le début des années 1990, l'Ineris a travaillé à l'élaboration d'un référentiel harmonisant le traitement et le formatage des données des différents équipements de surveillance. Centralp s'est lancé très rapidement dans l'élaboration d'une centrale de mesure conforme aux normes PLQ 2000. Son expérience de plus de 20 ans dans le domaine de la mesure et de deux générations de centrales de mesure hydrologique lui ont permis d’aboutir rapidement à la réalisation de sa centrale NOE 2000.
« Le référentiel PLQ 2000 a été conçu pour rendre le système d'acquisition de données réactif à l'évolution rapide des paramètres et faciliter les échanges, » explique Claude Meunier, responsable de l'unité informatique et instrumentation pour l'environnement à l'Ineris, « Ceci permet de répondre aux contraintes de temps imposées pour l'alerte de certaines crues éclair. »
Dès le départ, PLQ 2000 intègre l'ensemble des besoins rencontrés dans l'eau, que ce soit pour l'annonce de crues, l'hydrométrie en général ou encore pour mesurer la qualité des eaux. La technique devait être adoptée par les Diren et représentait les maillons acquisition et transmission de la chaîne de mesure. Ainsi, le cahier des charges consigne les principales fonctionnalités exigées, comme l'horodatage des données instantanées, la gestion de fichiers, la mémoire de masse, ou encore les entrées/sorties, y compris la connectique associée, le protocole de communication (protocole radio IETS 300-230) afin de rendre plus simple l'échange des équipements en cas de panne. Le principal intérêt de PLQ 2000 est de figer les choses dans le domaine des protocoles de communication et d'organisation des données et d'avoir un matériel parfaitement interchangeable avec un autre équipement agréé par l'Ineris. En effet, un équipement qui respecte ces contraintes permet d'interchanger des stations qui deviennent toutes compatibles entre elles. Il autorise aussi l'interconnexion entre le réseau de mesure car tous les équipements PLQ 2000 sont basés sur le même protocole de communication. Les standards ouverts qu'ils mettent en œuvre permettent de pallier toute défaillance de matériels et simplifient la maintenabilité du réseau de mesure.
Paratronic est une PME de l'Ain, spécialisée dans la sécurisation des matériels électroniques les plus exposés aux perturbations d'origine atmosphérique. Historiquement, l'entreprise s'est rapprochée des utilisateurs œuvrant dans les métiers de l'eau. Depuis 2000, elle intensifie son activité hydrologique et met sur le marché des systèmes d'acquisition, de trans-
Mission de données et de supervisions. Dans ce cadre et pour faire face aux solutions propriétaires inaptes à toute intégration dans de nouveaux schémas, Paratronic a retenu le référentiel PLQ 2000 pour développer sa station Op@l. « Pour donner à nos développements ces caractéristiques, nous adoptons un ensemble de solutions ouvertes, qui supportent des interfaces normalisées et qui sont dans le meilleur des cas open source », explique Jérôme Wattelet, directeur commercial chez Paratronic, « cette spécificité garantit l'interopérabilité entre les logiciels, leur ouverture vers les autres systèmes et la pérennité des applications ».
Ainsi, Op@l dispose de quatre supports physiques de transmission : trois ports série et un port Ethernet. Les ports série peuvent indifféremment être connectés à des modems, radio, RTC, GSM, système de communication par satellite ou terminal local. Et le port Ethernet rend possible l'intégration de la centrale sur un réseau local composé d'autres éléments (par exemple, caméra, routeur...). À ce jour, plus de 150 sites sont équipés de la station Op@l dans de nombreux départements : Aude, Charente, Doubs, Puy-de-Dôme, Côte-d'Or, Loiret, Gard...
Cependant, si le PLQ 2000 est une idée séduisante pour l'utilisateur, on constate que, quatre ans après son lancement, peu de fournisseurs s'y sont rattachés. « Début 2004, seule la centrale NOE2000 de Centralp était certifiée. L'équipement Op@l de Paratronic ne devrait pas tarder à recevoir son agrément et d'autres systèmes sont en cours de tests », précise Claude Meunier. À ce jour, plus de 300 stations NOE 2000 ont été installées ; les premières sont opérationnelles depuis l'année 2000.
D'autres, comme OTT France et Novacom Services, annoncent la compatibilité de leurs équipements avec le protocole PLQ 2000, mais n'ont pour l'instant pas demandé l'agrément. « OTT France croit à l'intérêt d'un protocole de communication unique, comme PLQ 2000, affirme Martin Stümpfle, directeur de OTT France, et a pour cette raison intégré ce protocole dans ses stations d'acquisition et dans son logiciel de supervision ». Actuellement, l'Ineris, qui pense avoir été trop exigeant sur les contraintes, cherche à simplifier le cahier des charges de la partie acquisition en intégrant les nouvelles technologies qui arrivent depuis quelques années sur le marché et qui n'avaient pu être prises en compte à la fin des années 1990.
Si la partie acquisition et transfert de l'information est importante pour harmoniser le dialogue entre les différents systèmes, il ne faut pas oublier le rôle essentiel des capteurs dans la prise d'information. En effet, ce sont eux qui assurent la validité du paramètre et la prise continue des mesures.
Une mesure en continu
Si les mesures en continu ont depuis de nombreuses années
permanent des paramètres qualitatifs de l'eau en complément des analyses effectuées en laboratoires. De plus, les réseaux d'alerte impliquent une gestion des systèmes en temps réel pour effectuer une surveillance continue des ressources d'eau potable, suivre la qualité des milieux récepteurs, ou encore gérer les crues. Dans tous ces cas, la mise en place de stations de mesure et d'alerte a pour objectif d'appréhender le plus tôt possible un événement important (crue) ou la détérioration accidentelle de la ressource par pollution.
Compte tenu de la diversité des paramètres à mesurer, peu de constructeurs proposent une solution clé en mains. Centralp, outre le développement de la centrale de mesure NOE 2000, a développé le logiciel TERLOC 2000. Ce logiciel applicatif utilisable sur un PC dans un environnement Windows, permet l'exploitation de la centrale en local. Pour l'exploitation à distance, Centralp propose un frontal d’acquisition développé sur une base PC.
Seuls quelques-uns ont développé une offre standard répondant à tout ou partie d'un besoin. Ainsi, Seres développe un véritable savoir-faire dans le métier de concepteur et d'intégrateur de systèmes d’analyses en ligne. Cette société propose une offre clé en mains incluant l’intégration des capteurs sur panoplie, le système de pompage, la transmission des données, l’installation du matériel, la mise en service, sans oublier la maintenance et la formation. Seres propose notamment trois stations d'alerte. Son offre Multiparamètre MP 2000 mesure notamment le pH, la température, la conductivité, l’oxygène dissous et supporte en option la mesure de turbidité. Pour certaines utilisations plus complexes, l'entreprise peut étendre la gamme des paramètres mesurés en introduisant l'analyse de composés spécifiques comme l'ammonium, le COT, ou encore les hydrocarbures et les phosphates. Cette offre intègre la prise d’échantillons et les analyseurs, ainsi que la transmission et le traitement des données adaptés, à savoir une liaison par modem radio ou par GSM et des logiciels personnalisés.
OTT France présente lui aussi des stations de mesure de qualité multiparamètres complètement intégrées, dont les éléments sont logés dans un coffret équipé de protections (parasurtenseurs, bornes de terre, alimentations sauvegardées...). Elles équipent actuellement les sites du réseau de mesure national du BRGM.
Quant à l'Optilis d'EFS, commercialisé par LAC Instruments et Systèmes, ou encore la solution de Secomam, ils permettent de mesurer simultanément plusieurs paramètres sans ajout d'aucun dispositif extérieur. Chaque utilisateur choisit les paramètres pertinents pour son application. Les cycles de mesure sont asservis, soit au temps, soit au débit selon le type d’application. Les résultats sont exploitables directement sur un tableau type Excel sans logiciel spécifique. Les paramètres non choisis au
départ peuvent être intégrés sur l'appareil au fur et à mesure des besoins. L'Optilis d'EFS peut mesurer simultanément de 1 à 12 paramètres par spectrométrie et comprend son unité de prélèvement. Il fonctionne sans réactif et la maintenance est très réduite.
EFS distribue également les produits Greenspan proposant, entre autres, des mini-analyseurs pouvant fonctionner sur batteries et offrant une multitude de paramètres mesurables : nitrates, azote total, phosphates, phosphore total, ammonium, oxygène dissous, conductivité, température, pH, turbidité, COT. Les données sont stockées et peuvent être distribuées par modem RTC ou GSM, liaison analogique ou numérique.
L'analyseur en ligne IXO 510 de Secomam est livré pré-calibré pour la mesure d'eau naturelle. Il permet de mesurer simultanément les paramètres globaux de pollution organique (DCO, DBO, COT), les matières en suspension (MES) et les nitrates. La mesure est réalisée en seulement une minute et les résultats peuvent être transmis à la supervision par boucles de courant, ou par modem et port série via le logiciel UV Pro. L'opérateur peut donc réagir en temps réel à l'arrivée d'une pollution dans la zone de captage. L'analyse UV n'utilisant aucun réactif, la maintenance de l'IXO 510 est minimale et le coût d'exploitation est pratiquement nul. En plus des données quantitatives (valeurs de concentrations pour les 5 paramètres listés), l'analyseur fournit une information qualitative : si la nature de la pollution change, ce qui est le cas lors d'une pollution industrielle accidentelle, l'analyseur détecte que sa calibration n'est plus adéquate et en informe l'utilisateur.
De son côté, Datalink Instruments a participé à la mise en place de nombreuses stations de surveillance sur rivières. Parmi celles-ci, la station de surveillance d'Osmanville nourrit les chercheurs de l'université de Caen de ses résultats de mesure. Les mesures (nitrates, DCO, ammoniac, hydrocarbures et chlorophylle-a) sont collectées par une centrale d'acquisition de type Unimac puis transmises via le réseau GSM à la DIREN de Caen.
AquaMS, fournisseur spécialisé dans la mesure en continu de la qualité de l'eau, Endress+Hauser et ER Ingénierie se sont
du milieu récepteur. La collectivité locale, représentée par Haganis, est assistée techniquement dans ce projet par deux bureaux d'études : Safege pour la gestion des données et le développement du pilotage, et Aquametris pour la conception, le suivi de réalisation et l'aide à l’exploitation des stations de mesure et d’alerte.
Surveiller le milieu récepteur pour piloter l'assainissement
Avec la mise en service de quatorze stations de mesures en temps réel et d'alerte en octobre 2003, le projet entre aujourd'hui dans sa phase d'exploitation.
Débuté en novembre 2001, pour une durée de trente-huit mois, il consiste, en complément des méthodes classiques de prélèvement d'échantillons, à intégrer la gestion des flux d'eaux résiduaires à l'échelle d'un bassin versant afin d'orienter l'effluent, soit vers une station d'épuration (eaux usées, unitaires ou pluviales chargées), soit vers le milieu naturel pour les eaux pluviales, soit vers des bassins de stockage temporaire en vue d'un traitement spécifique (eaux polluées).
La gestion des flux repose sur la connaissance en temps réel de l'état du milieu récepteur, mais aussi sur la quantité et la qualité de l'effluent à traiter. Ce projet s'est déroulé en quatre temps. D'abord la mise en place de stations de mesures sur la Seille jusqu'à son confluent avec la Moselle et des associés pour fournir une solution clé en mains incluant : l'assemblage, le montage, la transmission du signal, la mise en service et la maintenance des appareils de mesure.
Ses unités de mesure comportent : des capteurs physico-chimiques standard (pH, potentiel redox, conductivité, oxygène, turbidité), des capteurs pour la pollution liée au carbone (matière organique, hydrocarbure polycyclique aromatique), des analyseurs spécifiques aux pollutions azotées et phosphorées (ammonium, nitrates, phosphates), ou encore des biocapteurs à large spectre de pollution (poissons, algues...).
Ce partenariat tripartite a déjà porté ses fruits puisque le projet Pisys de l'agglomération messine, pour la réalisation de stations compactes de mesures qualité et d'alerte, a été confié à ER Ingénierie avec AquaMS et Endress+Hauser. Pour cette entreprise, le projet (en partie financé par l'Union Européenne dans le cadre d'un projet Life Environnement) a consisté en la fourniture de huit stations destinées au suivi du réseau des eaux usées et sept stations installées sur le milieu naturel. Son objectif : gérer et piloter en temps réel un système d'assainissement en milieu urbain en fonction de l'état du milieu récepteur.
stations de mesures et d'alerte en des points stratégiques du réseau d'assainissement.
Après la validation des données de caractérisation des milieux, l'exploitation des mesures va permettre de contrôler l'impact des eaux rejetées dans le milieu naturel et de prévenir tout dysfonctionnement de la station d'épuration. Il sera alors possible d'élaborer des stratégies de gestion et surtout le pilotage des actionneurs greffés sur des ouvrages d'assainissement. Et l'on ne dirigera de façon fiable vers la station de traitement que les quantités d'eaux résiduaires indispensables au maintien des objectifs de qualité des cours d'eau.
Pour mesurer la qualité des eaux usées, deux approches sont possibles : ciblée et directe ou globale indirecte. Tout d'abord, l'approche ciblée consiste à suivre l'effluent industriel sur le lieu de production par ses paramètres spécifiques. Mais, il faut un véritable partenariat avec les industriels, ce qui est souvent difficile. Cette méthode se limite donc à analyser en laboratoire des échantillons prélevés périodiquement. Cette opération satisfait aux obligations réglementaires mais ne fournit qu'un constat statistique.
L'autre consiste en une approche globale. Il s'agit de suivre sur le réseau l'évolution des paramètres et d'appréhender l'arrivée anormale par comparaison des mesures réalisées en amont et en aval.
Ainsi, il ne s'agit pas de mesurer avec précision une large gamme de polluants potentiels, mais de suivre en continu des paramètres physico-chimiques caractéristiques et facilement mesurables, en des points stratégiques des réseaux en aval des sites à risques, afin d'être informé du passage d'une situation « normale » à une situation « anormale » ou « de crise ». Pour cela, les paramètres retenus sont simples dans leur mise en œuvre et leur maintenance. À savoir, paramètres globaux sur les réseaux de collecte et le milieu naturel : température, pH, potentiel Redox, conductivité, turbidité. Paramètres spécifiques sur les réseaux : hydrocarbures de type HAP, matière organique, et pour le milieu naturel les paramètres supplémentaires : oxygène dissous, ions nitrate, ions ammonium.
Huit stations de mesures en temps réel et d'alertes viennent d'être mises en service sur les nœuds stratégiques des 1 100 kilomètres d'égouts pour contrôler la qualité de l'effluent, une neuvième station liée à un ouvrage d'interception et de transfert des eaux de pluie est en cours de réalisation. Six autres stations installées à proximité de la rivière Seille, de l'amont de l'agglomération jusqu'au confluent avec la Moselle, vérifient l'aptitude du milieu naturel à recevoir les eaux plus ou moins chargées de temps de pluie.
Les sondes qui équipent les stations relèvent en continu les débits et les paramètres physico-chimiques facilement mesurables, dont les pics sont symptomatiques de pollutions. Les mesures effectuées sont transmises par liaison téléphonique spécialisée au centre de gestion technique centralisée d'Haganis. Le dépassement des tolérances fixées déclenche automatiquement le prélèvement d'un échantillon de l'effluent en cause et l'envoi d'une alerte.
Les techniciens peuvent alors effectuer une analyse fine, ou immédiatement décider de forcer les eaux vers la station d'épuration, ou vers un bassin de retenue de pollution pour refoulement vers la station en temps différé (en temps de pluie, lorsque la charge des réseaux a baissé) ou en vue d'un traitement spécifique. ■
