Le nouveau système de rinçage Hydroguard proposé par la société Hydroconcept évacue efficacement et sur de longues distances, les dépôts présents dans les collecteurs unitaires et les siphons. En période de temps sec, le nettoyage des collecteurs s'effectue par des cycles de rinçage qui ont lieu à intervalles réguliers. Après une phase de stockage d'un volume de chasse avec l'effluent de temps sec, succède une phase de rinçage. L'ouverture rapide de l'obturateur libère les eaux retenues en une puissante et longue vague de chasse. Les volumes de chasse sont déterminés suivant un abaque élaboré par le constructeur des vannes de chasse, la société allemande Steinhardt Wassertechnik. Un modèle numérique unidimensionnel permet de calculer les valeurs de hauteur, de vitesse et de contrainte de cisaillement le long du collecteur en fonction du temps. Deux sites ont été équipés en 2011 avec des vannes Hydroguard : le collecteur Charles de Gaulle à Cabourg (Ø800, Ø1 000) et le collecteur Maginot à Rennes (Ø1 800).
Après une phase de stockage d’un volume de chasse avec l’effluent de temps sec, succède une phase de rinçage. L’ouverture rapide de l’obturateur libère les eaux retenues en une puissante et longue vague de chasse. Les volumes de chasse sont déterminés suivant un abaque élaboré par le constructeur des vannes de chasse, la société allemande Steinhardt Wassertechnik. Un modèle numérique unidimensionnel permet de calculer les valeurs de hauteur, de vitesse et de contrainte de cisaillement le long du collecteur en fonction du temps.
Deux sites ont été équipés en 2011 avec des vannes Hydroguard : le collecteur Charles de Gaulle à Cabourg (9800, 01000) et le collecteur Maginot à Rennes (01800).
La présence de dépôts dans les collecteurs et leur évacuation représentent, pour bon nombre d’exploitants de réseau unitaire, un problème difficile à résoudre de manière simple et économique.
Les causes de la constitution de dépôts peuvent être diverses.
Dans les réseaux unitaires, par temps de pluie, le diamètre des canalisations est calculé pour évacuer un débit maximum. En dehors des périodes pluvieuses au contraire, les débits de temps sec ne coulent pas avec des vitesses suffisantes compte tenu du diamètre des canalisations. Cela conduit, faute de vitesse, à la constitution et à l’accumulation de dépôts. Ces dépôts ne sont alors évacués que lors de fortes pluies.
Des contraintes géologiques, dans les régions de plaine, empêchent parfois la réalisation des pentes nécessaires à l’autocurage des conduites. L’affaissement du sol peut également réduire la pente des canalisations ou créer des contre-pentes. En raison de l’absence de contraintes de cisaillement, notamment en cas de faibles débits, des dépôts se constituent et s’accumulent dans le réseau.
Par temps sec, la réduction de l’eau de transport par suite des mesures d’économie de la consommation d’eau (eaux domestiques des chasses de toilettes par exemple) ou bien en période estivale, provoque des bouchons qui favorisent la formation ultérieure de bancs de dépôts.
La présence de quantités croissantes de lingettes usagées et d’emballages divers dans
Les réseaux, contribue aussi à les obstruer.
Les conséquences de l'accumulation de dépôts dans le réseau unitaire sont nombreuses : augmentation de la charge de pollution rejetée vers le milieu naturel par les déversoirs d’orage, envoi de pics de pollution vers les stations d’épuration et leur saturation pendant les périodes orageuses, présence de nuisances olfactives ou détérioration des collecteurs par du sulfure d’hydrogène (H₂S). En effet, le sulfure d’hydrogène, au contact des parois, se transforme en acide sulfurique qui attaque le béton et les métaux, ce qui entraîne progressivement la dégradation de la canalisation jusqu’à son effondrement.
Des systèmes de vannes de rinçage des conduites existent déjà et sont bien connus des exploitants des réseaux d’assainissement. Ces systèmes nécessitent le stockage par temps de pluie d’une retenue d’eau qui sera libérée après l’épisode pluvieux en un puissant flot de chasse.
Ces dispositifs de rinçage, qui sont très répandus, permettent de nettoyer des collecteurs sur de longues distances. Toutefois, leur fonctionnement est tributaire des événements pluvieux.
Au contraire, le dispositif de rinçage Hydroguard® nettoie les collecteurs unitaires de manière préventive, avec l'eau du réseau par temps sec. Ceci signifie que le dispositif Hydroguard® rince les collecteurs en continu pendant la période de temps sec et évite ainsi la formation de dépôts de manière préventive.
Lors des précipitations, la section du collecteur, qui est nécessaire pour l'évacuation des effluents, est complètement ouverte pour laisser le libre passage aux effluents. Par temps de pluie, l’obturateur du dispositif de rinçage Hydroguard® se soulève vers le haut et libère totalement la section de la canalisation. Lorsque la pluie cesse et que le niveau d’eau s'abaisse, les cycles de rinçage reprennent. Les dépôts qui sédimentent en aval de la vanne sont chassés par les flots tandis que ceux qui sédimentent en amont du dispositif lors de la phase de stockage sont mobilisés et entraînés vers l’aval.
Présentation du dispositif de rinçage de collecteurs unitaires
La vanne de chasse Hydroguard® est constituée d’un obturateur articulé. Elle s'abaisse pour obturer une partie du collecteur, puis se soulève pour libérer un flot de chasse. La vague de rinçage qui est formée est très étendue. Elle génère d’importantes contraintes de cisaillement pouvant transporter les dépôts sur de grandes distances, c’est-à-dire jusqu’au poste de relèvement aval ou bien jusqu’à la station d’épuration. Une sonde analyse la hauteur d’eau atteinte par la retenue en amont du dispositif, et lorsque le niveau de l'eau atteint un seuil déterminé, elle déclenche l’ouverture de la vanne Hydroguard®. L’obturateur reste alors en position ouverte tant que le niveau de l’eau à l’aval n’est pas revenu au niveau du débit de temps sec. Par temps de pluie, l’obturateur reste donc dans sa position ouverte (haute) jusqu’à la fin de l’épisode pluvieux. Lorsque la sonde disposée à l’aval du dispositif enregistre un niveau d’eau bas, l’obturateur s’abaisse à nouveau. La section du canal est ainsi à nouveau obturée. L’effluent de temps sec est alors emmagasiné en une retenue, et un nouveau cycle de rinçage peut être lancé. Le processus se répète ensuite de manière automatique. Le dispositif de rinçage Hydroguard® fonctionne avec une commande électrohydraulique. Il est mis en œuvre dans des canalisations de DN 400 à DN 2800, et son installation ne nécessite pas de modification du radier des collecteurs.
L’automate de commande de la vanne de chasse Hydroguard® est très souple. Il autorise la création de cycles de chasses spécifiques et peut être télégéré depuis la station d’épuration.
L’un des avantages principaux que procure la vanne de chasse Hydroguard® réside dans une réduction des coûts d’exploitation et de maintenance des réseaux. Les rinçages réguliers entretiennent la propreté des collecteurs. Les méthodes de curage traditionnelles deviennent obsolètes. Les collecteurs restent propres et ont une durée de vie plus longue. Mais l’avantage majeur des
vannes de chasses, est qu’il est désormais inutile d’envoyer des hommes dans le réseau ! La sécurité des personnes est assurée.
D’un point de vue environnemental, les charges de pollution envoyées régulièrement à la station d’épuration sont plus homogènes. Dans certains cas, le rinçage en continu des collecteurs réduit la masse de pollution rejetée au milieu naturel. Enfin, la vanne de chasse Hydroguard® peut être disposée à l’aval d’un ou plusieurs siphons. La mise en charge du réseau unitaire jusqu’aux siphons permet d’assurer le nettoyage préventif du ou des siphons et de rendre inutiles les interventions de curage.
Modélisation des volumes de chasse
L’objectif de la modélisation numérique du flot de chasse de la vanne Hydroguard® est de justifier par le calcul le volume de chasse nécessaire au nettoyage d’un tronçon de collecteur unitaire, de longueur et de pente connues. La modélisation permet également d’étudier le comportement du flot de chasse généré par une ou plusieurs vannes de chasse Hydroguard®.
Le calcul du taux de cisaillement, de la vitesse d’écoulement et du débit résultant, en fonction du temps, est effectué dans le tronçon du collecteur jusqu’à son extrémité aval. Les résultats obtenus permettent de vérifier l’efficacité du nettoyage. Ces valeurs peuvent aussi être utilisées pour déterminer la capacité des pompes installées à l’extrémité du collecteur.
La contrainte de cisaillement est une valeur essentielle pour quantifier l’efficacité du nettoyage de la vague de chasse. En règle générale, on admet qu’un taux de cisaillement compris entre 3 et 5 N/m² est nécessaire pour garantir l’auto-curage des réseaux. Ces valeurs sont issues de mesures et peuvent être recoupées dans de nombreuses publications. Lors de la phase projet, les singularités du réseau sont prises en compte afin de positionner correctement la ou les vannes de chasse.
Le modèle physique et mathématique employé, appelé Edwa, a été développé par l’Université Technique de Mécanique des Fluides de Darmstadt en Allemagne. Le modèle Edwa a été développé simultanément au programme de recherche Lastspuel visant à résoudre les problèmes d’encrassement et de curage des collecteurs et des siphons, rencontrés par la ville de Wetzlar en Allemagne. Ce programme de recherche s’est déroulé pendant l’année 2007.
Le modèle Edwa utilise les équations complètes de Saint-Venant. La discrétisation des équations différentielles hyperboliques est obtenue par la méthode des volumes finis. Pour résoudre les équations de discrétisation, la procédure de Godunof-Upwind et la méthode MUSCL-Hancock avec limiteur de fonction ont été appliquées. Le solveur HLL-Rieman, ainsi que le fractionnement du temps (splitting procedure) ont été utilisés.
Ces procédures permettent d’obtenir des résultats de calculs intermédiaires précis et stables. Les modèles unidimensionnels courants ne permettant pas en effet d’obtenir un niveau de résolution élevé pour simuler le comportement des flots de chasse.
Les taux de cisaillement (τₓ) ont été calculés en utilisant l’équation (1) :
τ = ρ · g · rₓ · Iₓ ρ : Densité de l’eau [kg/m³] g : Accélération de la pesanteur – Gravité [m/s²] rₓ : Rayon hydraulique [m] Iₓ : Énergie liée à la pente [m/m]
La représentation numérique du collecteur intègre ses caractéristiques géométriques : le diamètre du collecteur, sa longueur et sa pente longitudinale.
Le nombre de Courant-Friedrichs-Lewy est généralement choisi égal à 0,9, et la rugosité du radier du collecteur à 1/kst = 0,013 s/m¹/³. Les conditions initiales sont les suivantes : absence de vitesse d’écoulement dans le volume de rinçage stocké à l’amont de la vanne Hydroguard® et absence de débit de temps sec (collecteur vide) à l’aval du dispositif. Le collecteur est divisé longitudinalement en cellules dont les mailles sont de 0,5 m. Dans chaque maille, le modèle numérique calcule les différentes valeurs recherchées : hauteur ou niveau d’eau, taux de cisaillement, vitesse et débit.
Les vannes de chasses Hydroguard® sont placées dans le réseau de telle sorte que les volumes de chasses respectifs puissent être constitués et que la mise en charge du réseau ne puisse provoquer une inondation pour les riverains.
Exemple de mise en œuvre
Le collecteur Charles de Gaulle à Cabourg (14)
Localisation
Le collecteur unitaire est posé sous l’avenue Charles de Gaulle. Il chemine ensuite sous la rue Pasteur, puis il finit son parcours sous la rue Galilée (voir photo n° 3).
Caractéristiques du réseau
Le collecteur que l’on veut nettoyer automatiquement est un ouvrage en fonte de section de 800 mm pour un premier tronçon amont, et de section de 1000 mm pour un second tronçon aval. La longueur du premier tronçon situé sous l’avenue Charles de Gaulle, entre les regards n° 33 et n° 11, est de 810 m. La longueur du second tronçon situé sous la rue Pasteur puis sous la rue Galilée, entre les regards n° 11 et l’ouvrage déversoir implanté à l’extrémité aval est de 420 m. La longueur totale que l’on veut nettoyer est donc de 1230 m. Le collecteur a été posé avec une pente de 1 pour mille. Il est surdimensionné afin de pouvoir collecter les effluents d’une population à forte variation saisonnière, ce qui entraîne nécessairement des écoulements moins faciles lors des périodes de basse fréquentation que lors de la saison estivale.
On constate également plusieurs branchements latéraux de diamètre 200 mm tout au long du collecteur. Autre singularité du réseau : il comprend plusieurs changements de direction et un coude à 90°.
Il est important de noter que le collecteur est posé sous l’emprise de voies à forte circulation qui ne permettent pas, notamment l'été, d’être occupées soit par des hydrocureuses en stationnement (gêne de la circulation, bruits aux voisinages, odeurs, etc.) soit par des équipes de nettoyage (périmètre de sécurité vis-à-vis de la circulation, travail en atmosphère confinée, craintes des riverains, nuisances olfactives, etc.).
- Implantations projetées
Afin de nettoyer ce collecteur de manière régulière et préventive, deux vannes de rinçage de type Hydroguard® ont été installées respectivement dans les regards n° 27 et n° 14.
La longueur du collecteur entre les regards n° 27 et n° 14 est d’environ 465 m et nécessite un volume de rinçage de 31 m³. Le volume de chasse est déterminé à l'aide de l'abaque expérimental de la société Steinhardt GmbH. Pour une hauteur de mise en charge admissible de 60 cm en amont de la première vanne de chasse, le volume de rinçage constitué est de 77 m³, ce qui est deux fois supérieur au volume nécessaire pour le nettoyage des 465 m de collecteur. Pour un débit de temps sec de l’ordre de 5 à 10 l/s, le temps nécessaire à la constitution du volume de rinçage est compris entre 2 h et 4 h 15 min.
La longueur du collecteur entre les regards n° 14 et l’ouvrage déversoir est de 518 m et nécessite un volume de rinçage de 38 m³. Pour une hauteur de mise en charge admissible de 0,60 m en amont de la seconde vanne de chasse, le volume de rinçage constitué est de 109 m³, ce qui est plus de deux fois supérieur au volume nécessaire pour le nettoyage des 518 m de collecteur. Pour un débit de temps sec de l’ordre de 5 à 10 l/s, le temps nécessaire à la constitution du volume de rinçage est compris entre 3 h et 6 h. Les volumes de chasses ainsi constitués dans les regards n° 27 et n° 14 sont supérieurs à ceux que nous avons modélisés. Mais, compte tenu des singularités existantes le long du réseau, avec en particulier de nombreux branchements latéraux pouvant réduire l’efficacité du rinçage, nous avons retenu le volume maximum admissible en amont des vannes afin d’obtenir la meilleure efficacité de rinçage possible.
- Résultats des simulations
À T = 0 seconde, la pelle du premier dispositif Hydroguard® est relevée et le flot de chasse est libéré. La figure n° 1 montre comment se propage le flot de chasse le long du collecteur pour différents temps de rinçage. Au départ, la vague de chasse présente un profil en forme de marche qui s’arrondit et s’étale au fur et à mesure qu'elle progresse dans le collecteur. La vague atteint l’extrémité du collecteur après approximativement 500 secondes. L'ouverture de la première vanne de chasse va créer une contrainte de cisaillement très élevée en tête de flot. Les valeurs calculées sont indiquées dans la figure n° 2 et sont comprises entre 34 et 18 N/m². Ces valeurs élevées sont importantes car elles permettent de soulever les sédiments, mais elles ne durent qu’un court moment. Plus important encore est le maintien pendant une longue période d'une contrainte de cisaillement suffisante pour permettre le transport des sédiments qui ont été mobilisés par le front du flot. Le choix de la hauteur et du volume de stockage doit donc créer une contrainte de cisaillement de l'ordre de 2 à 3 N/m² pendant une durée de 10 à 15 minutes afin de démontrer que les sédiments seront bien entraînés jusqu’au bout du collecteur, et que le nettoyage sera efficace.
Après l’ouverture de la seconde vanne de chasse, le flot se propage dans le tronçon aval du collecteur et atteint son extrémité après approximativement 575 secondes. Le changement du diamètre de la conduite après 810 m d’un DN 800 à un DN 1000 n’a que peu d'importance. On observe une réduction de la hauteur d’écoulement mais le flot de rinçage s’écoule de manière continue et possède toujours une contrainte de cisaillement suffisante pour permettre l'en-
Entraînement des dépôts jusqu'à l'extrémité du collecteur.
En ce qui concerne les contraintes de cisaillement, on observe pour la seconde vanne de chasse Hydroguard® des résultats similaires à ceux obtenus pour la première vanne. L'ouverture de la vanne crée une contrainte de cisaillement très élevée en tête de flot. Les valeurs calculées sont indiquées dans la figure n° 4 et sont comprises entre 34 et 18 N/m².
Par la suite, on peut également observer une réduction de la contrainte de cisaillement de la vague de chasse au cours du cheminement de celle-ci tout au long du collecteur.
Celle-ci atteint en fin de collecteur une valeur d'environ 2,3 N/m² qui est encore suffisante pour assurer une bonne efficacité de nettoyage (figure n° 4).
Les résultats de la modélisation de la contrainte de cisaillement montrent que, pour les deux dispositifs de rinçage, la mise en charge ainsi que le volume de nettoyage choisis sont suffisants pour assurer le nettoyage du collecteur.
Ouvrages réalisés
Les regards avec vanne de chasse Hydroguard® sont construits en série sur le réseau unitaire. Le collecteur de diamètre 800 est enterré à faible profondeur (à environ –2,15 m de la chaussée, voir figure 5 et photos 2 et 3).
Le collecteur Maginot à Rennes
- LocalisationLe collecteur unitaire en DN 1800 est situé sous l’avenue du Sergent Maginot à Rennes (voir photo n° 6).
- Caractéristiques du réseauLe collecteur Maginot est un ouvrage en PRV de 1800 mm de diamètre qui a été mis en place par fonçage sur 1350 m de long avec une pente moyenne de 2 ‰. Le collecteur a été mis en place afin de stocker les eaux du réseau unitaire par temps de pluie. Il permet de réduire la fréquence des déversements vers le milieu naturel.
Il est alimenté par une conduite en DN 600 qui est située dans son prolongement côté amont, et il est susceptible d'être également alimenté latéralement par un déversoir d'orage situé à l'extrémité aval. La canalisation en DN 600 est posée altimétriquement à un niveau suffisamment haut pour ne pas être sollicitée lors de la constitution du volume de chasse. Le débit de temps sec est de 15 à 20 l/s, et le débit généré par une pluie de période de retour décennale est estimé entre 50 et 150 l/s. À l'extrémité aval du collecteur, une bâche de pompage permet la vidange des eaux retenues.
Puis, le flot de chasse libéré lors de l'ouverture de la vanne a été modélisé avec le modèle numérique EDWA afin de vérifier la pertinence de la hauteur de charge et du volume de chasse retenus.
- Résultats des simulations
La figure 6 montre comment se propage le flot de chasse le long du collecteur pour différents temps de rinçage. La vague de chasse présente le même profil en forme de marche qui s'arrondit et s'étale au fur et à mesure de sa progression. La vague atteint l'extrémité du collecteur après approximativement 850 secondes.
Figure 6 : Contrainte de cisaillement le long du collecteur pour différents temps de lavage.
La vague de chasse va créer une contrainte de cisaillement très élevée en tête de flot. Les valeurs calculées sont indiquées dans la figure 7. Elles sont comprises entre 33 et 7 N/m². Ces valeurs élevées en front de flot permettent de soulever les sédiments pendant un court moment. Ensuite, la vidange du volume de chasse dure pendant une longue période, ce qui maintient au niveau.
- Implantations projetées
Afin de nettoyer régulièrement le collecteur, une vanne de rinçage de type Hydroguard® est installée à 140 m de l'extrémité amont du collecteur. En choisissant une hauteur de stockage de 0,90 m devant la pelle de la vanne de rinçage, le volume de stockage disponible pour nettoyer les 1210 m de collecteur aval est de 143 m³. Comme précédemment, le calcul du volume de chasse du collecteur a été déterminé à l'aide de l'abaque expérimental conçu par le constructeur de la vanne.
Figure 7 : Contrainte de cisaillement pour différents temps de lavage.
Du radier une contrainte de cisaillement suffisante pour permettre le transport des sédiments qui ont été mobilisés par le front de flot. D’après la figure 7, le choix de la hauteur et du volume de stockage crée une contrainte de cisaillement de l’ordre de 2-3 N/m² pendant une durée de 10 à 15 minutes. Les résultats de la modélisation démontrent que les sédiments seront bien entraînés jusqu’au bout du collecteur, et que le nettoyage sera efficace.
La figure 8 montre l’évolution de la vitesse du flot après 825 secondes de durée d’écoulement ou de temps de lavage, juste avant que le flot ne chute dans la bâche de pompage. La valeur maximale de la vitesse du flot est de l’ordre de 1,1 m/s.
Le débit généré par le flot de chasse après 825 secondes de durée d’écoulement est indiqué dans la figure 9. Le débit du front de flot atteint sa valeur maximale autour de 0,23 m³/s. Après le passage du front de flot, le débit décroît rapidement.
L’étude du comportement du flot de rinçage dans la partie aval du collecteur comprend une analyse plus fine des distributions du niveau d’eau, de la contrainte de cisaillement, de la vitesse et du débit des eaux de lavage pendant toute la durée du nettoyage.
La figure 10 montre que la vague de chasse atteint l'extrémité du collecteur après 850 secondes. La crête de la vague de chasse, c’est-à-dire le point où le niveau de l'eau est maximum, passe après 1035 secondes. Puis le niveau de l’eau de la vague décroît jusqu’à la fin de la vague. La simulation est stoppée après 3000 secondes. Cependant, même après 3000 secondes, l'eau de lavage résiduelle n’a pas totalement disparu du collecteur mais n’est pas significativement différente du débit de temps sec.
La figure 11 montre l’évolution de la contrainte de cisaillement au bout du collecteur (à 1350 m). Le front de flot de la vague de rinçage présente une valeur maximale de 6 N/m², ce qui est remarquable après un parcours de 1350 m, et laisse supposer une bonne efficacité de nettoyage. Pour les 3 à 4 minutes suivantes, la contrainte de cisaillement reste d’environ 3 N/m², ce qui est encore suffisant pour emporter les sédiments et nettoyer le collecteur.
La courbe de la vitesse d’écoulement au bout du collecteur en fonction du temps (L = 1350 m) est présentée dans la figure 12. Lors du passage du flot, le front de flot atteint d’emblée la vitesse maximale de 1,1 m/s. Après le passage du front de flot, la vitesse d’écoulement décroît régulièrement.
rement mais reste encore supérieure à 0,4 m/s au bout de quarante minutes (2500 secondes).
La valeur du débit calculé par le modèle à l'extrémité du collecteur est importante pour déterminer la capacité et les dimensions de la bâche de pompage qui est aussi la bâche où sont recueillies les eaux de lavage. La figure 13 montre l'évolution du débit en fonction du temps. Le débit maximum est de l’ordre de 0,19 m³/s, puis il décroît lentement jusqu'à 0,007 m³/s après 3000 secondes de temps de lavage.
La modélisation numérique montre que le volume de chasse choisi de 143 m³ avec une hauteur de stockage de 0,9 m en amont de la pelle du dispositif Hydroguard®, conduit à générer une vague de chasse avec un potentiel de nettoyage élevé. Les valeurs des contraintes de cisaillement pour le front de flot de la vague de chasse sont nettement supérieures au taux critique de 5 N/m².
Les courbes indiquent clairement que les valeurs restent supérieures à 3 N/m² après le passage du front de flot. Pour la hauteur et le volume de lavage choisis, le modèle numérique fournit donc des résultats satisfaisants pour le nettoyage du collecteur et ce sur toute sa longueur.
Conclusion
La constitution de dépôts dans les collecteurs unitaires contraint les collectivités à engager des dépenses importantes afin de curer les réseaux et garantir leur pérennité. La réduction des débits de temps sec due aux économies de consommation d'eau, la pose de canalisation avec de faibles pentes en raison de contraintes géotechniques ou liées à l'urbanisme, la présence croissante de lingettes et d'emballage divers, y contribuent.
L'emploi de vanne à ouverture rapide, utilisant l'eau même du réseau pour emmagasiner un volume de chasse, permet de générer pendant une longue période un flot possédant une hauteur et une vitesse élevée. Le flot de chasse produit alors au niveau du radier des contraintes de cisaillement supérieures aux valeurs requises pour assurer l'auto-curage d'une canalisation. Les rinçages réguliers assurent le nettoyage des tronçons de canalisation sujets à obstruction, sans intervention humaine et donc sans risque. La propreté du réseau a pour effet de réduire les charges de pollution transférées à la station d'épuration et quelquefois, de réduire la masse de pollution rejetée au milieu naturel.
