PDF (Rapport) - ENGEES

MINISTERE DE L'AGRICULTURE, DE L’ALIMENTATION, DE LA PECHE, DE LARURALITE ET DE L’AMENAGEMENT DU TERRITOIRE_____________________________ECOLE NATIONALEDU GENIE DE L'EAU ET DE L'ENVIRONNEMENTDE STRASBOURGMémoire de fin d’étudePrésenté pour l’obtention du diplôme d’ingénieur de l’ENGEESAutosurveillance des déversoirs d’orage de la CommunautéUrbaine de StrasbourgEtude et exploitation des données existantes et instrumentation denouveaux sitesThème de stage : assainissement (application de l’autosurveillance)Organisme d’accueil :Communauté Urbaine de Strasbourg (CUS)1 parc de l’étoile 67076 STRASBOURG CEDEXLieu du stage : 40 rue de la Plaine des Bouchers 67100 STRASBOURGMaître de stage : Renaud PHILIPPEStage réalisé du 03/01/2011 au 01/07/2011Marie EVRARDPromotionMayenne2008/2011

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESRemerciementsMon travail de fin d’étude a pu être réalisé dans de très bonnes conditions grâce à l’aide deplusieurs personnes que je souhaite remercier ici.Je tiens tout d’abord à remercier M. Renaud Philippe, responsable du département Qualité etTélé-contrôle des Rejets au sein du service assainissement de la Communauté Urbaine de Strasbourg,pour ses conseils et sa disponibilité qui m’ont permis d’accomplir au mieux ma mission.Je remercie également M. José Vazquez, professeur, et M. Matthieu Dufresne, maître deconférences en hydraulique, dont l’aide m’a été précieuse principalement concernant leurs conseilspour la modélisation 3D et les études hydrauliques.Ensuite, j’adresse mes remerciements à Mme Nathalie Pasquet, chef du serviceassainissement de la Communauté Urbaine de Strasbourg, pour son accueil sympathique.J’adresse aussi mes remerciements à l’équipe technique du département Qualité et Télécontrôledes Rejets de la Communauté Urbaine de Strasbourg, Mme Frédérique Zimmerlin, M. Jean-Jacques Guillaume et M. Jeannot Fussler.Je souhaite également adresser ma reconnaissance à M. François Avril, M. William Kavay,M. Eric Mabboudi et M. Pascal Schill pour leur bonne humeur et pour m’avoir transmis une partie deleur expérience technique lors des travaux effectués dans le réseau d’assainissement.Je remercie Mlle Noëlle Duclos, Mlle Sandra Isel et Mlle Fanny Tenault, pour leurs conseils,leurs encouragements et leur gentillesse.Enfin, je remercie l’ensemble des membres du service assainissement de la CommunautéUrbaine de Strasbourg et de l’équipe Hydraulique Urbaine de l’Institut de Mécanique des Fluides etdes Solides de Strasbourg pour leur accueil, leur collaboration et leur dynamisme.Marie Evrard 3

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESRésuméAutosurveillance des déversoirs d’orage de la Communauté Urbaine deStrasbourg-Etude et exploitation des données existantes et instrumentation de nouveaux sitesLe contexte réglementaire actuel et notamment l’arrêté du 22 juin 2007 relatif àl’autosurveillance des réseaux d’assainissement [15], a poussé la Communauté Urbaine deStrasbourg à s’intéresser d’avantage à l’autosurveillance des déversoirs d’orage.Cette étude s’attache à mieux comprendre le comportement hydrodynamique des ouvragesde déversement.Dans un premier temps, l’instrumentation actuelle de quelques déversoirs d’orage a étéanalysée. Une analyse qualitative a permis de travailler sur les plages de mesures des capteurs, demettre en évidence les éventuelles dérives et de déterminer le meilleur environnement pour mettreen place les capteurs. Le calcul des courbes de remous a validé de manière quantitative le bonfonctionnement de certains capteurs.Ensuite, l’instrumentation de quatre nouveaux sites a été possible en ayant recours à lamodélisation 3D. L’étude a mis en évidence l’importance de la géométrie, du maillage, du choix dumodèle de turbulence et des conditions aux limites lors de la modélisation. Il a aussi été soulignéqu’il est nécessaire de prendre des précautions afin d’obtenir des résultats dont le comportement estconforme aux lois de l’hydrodynamique. De cette manière, la modélisation 3D a permis d’obtenir lessurfaces libres, les lignes de courants et les champs de vitesses des déversoirs dans différents cas defonctionnement.Pour chacun des sites, la modélisation a permis d’aboutir à une loi de déversement où ledébit est estimé uniquement par la mesure de hauteurs d’eau. De plus, l’incertitude sur le calcul dudébit a été déterminée.Finalement, il a été mis en évidence qu’une instrumentation performante permettait, en plusde répondre aux exigences de la réglementation, de mieux connaître le réseau d’assainissement etdonnait la possibilité d’en optimiser son fonctionnement.Marie Evrard 4

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESSommaireTABLE DES ANNEXES ....................................................................................................................... 9TABLE DES FIGURES ....................................................................................................................... 10TABLE DES TABLEAUX .................................................................................................................... 11INTRODUCTION ............................................................................................................................. 131 PRESENTATION DE LA COMMUNAUTE URBAINE DE STRASBOURG ........................................................ 141.1 LE SERVICE ASSAINISSEMENT DE LA CUS .............................................................................................. 141.2 LE DEPARTEMENT QUALITE ET TELE-CONTROLE DES REJETS (QTR) ........................................................... 142 CADRE TECHNIQUE ET LEGISLATIF DE L’ETUDE .................................................................................. 152.1 RAPPEL SUR LES DEVERSOIRS D’ORAGE ................................................................................................. 152.2 LE CONTEXTE LEGISLATIF : AUTOSURVEILLANCE DES RESEAUX ................................................................... 152.3 CONVENTION ENTRE LA CUS ET L’ENGEES .......................................................................................... 163 PRINCIPES D’INSTRUMENTATION DES DEVERSOIRS D’ORAGE............................................................... 173.1 LA MESURE DU DEBIT A L’AMONT ET A L’AVAL DU DEVERSOIR .................................................................. 173.2 LA MESURE DANS LE CANAL DE DECHARGE DU DEVERSOIR ....................................................................... 173.3 LA MESURE DE LA LAME DEVERSANTE SUR LE DEVERSOIR ......................................................................... 184 ETUDE ET EXPLOITATION DES DONNEES EXISTANTES ......................................................................... 194.1 LE SYSTEME DE TELEGESTION .............................................................................................................. 194.2 LES DEVERSOIRS INSTRUMENTES A L’AMONT ET A L’AVAL ........................................................................ 194.2.1 Analyses qualitatives ............................................................................................................... 204.2.2 Analyses quantitatives ............................................................................................................. 224.3 LES DEVERSOIRS INSTRUMENTES DANS LA CONDUITE DEVERSEE ................................................................ 245 INSTRUMENTATION DE NOUVEAUX DEVERSOIRS D’ORAGE ................................................................. 265.1 PRESENTATION D’ANSYS – FLUENT .................................................................................................... 285.2 APPLICATION : LE DEVERSOIR DE LA ROBERTSAU .................................................................................... 295.2.1 Localisation .............................................................................................................................. 295.2.2 Fonctionnement hydraulique .................................................................................................. 295.2.3 Géométrie de la modélisation 3D ........................................................................................... 315.2.4 Maillage ................................................................................................................................... 315.2.5 Analyse des données ............................................................................................................... 325.2.6 Paramétrage de Fluent : modèle et schémas numériques ..................................................... 335.2.7 Conditions aux limites ............................................................................................................. 34Marie Evrard 7

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES5.2.8 Conditions initiales .................................................................................................................. 355.2.9 Résultats des simulations ........................................................................................................ 355.2.10 Loi de déversement et incertitude associée ........................................................................... 375.3 APPLICATION : LE DEVERSOIR 139 A ILLKIRCH ....................................................................................... 405.3.1 Fonctionnement hydraulique .................................................................................................. 405.3.2 Géométrie de la modélisation 3D ........................................................................................... 415.3.3 Maillage ................................................................................................................................... 425.3.4 Analyse des données ............................................................................................................... 425.3.5 Conditions aux limites et initiales ............................................................................................ 445.3.6 Résultats des simulations ........................................................................................................ 455.4 APPLICATION : LE DEVERSOIR DU BASSIN DE L’INDUSTRIE ........................................................................ 485.4.1 Fonctionnement hydraulique .................................................................................................. 485.4.2 Géométrie de la modélisation 3D ........................................................................................... 495.4.3 Maillage ................................................................................................................................... 505.4.4 Analyse des données ............................................................................................................... 505.4.5 Conditions aux limites et initiales ............................................................................................ 515.4.6 Résultats des simulations ........................................................................................................ 525.4.7 Validations du comportement hydraulique du déversoir ....................................................... 545.4.8 Loi de déversement finale et incertitude sur le débit ............................................................. 585.5 APPLICATION : LE DEVERSOIR 50 ........................................................................................................ 605.5.1 Principe de l’instrumentation .................................................................................................. 605.5.2 Validation de la méthode ........................................................................................................ 615.5.3 Loi de déversement du DO 50 ................................................................................................. 625.5.4 Exemple d’utilisation de la télégestion ................................................................................... 656 PERSPECTIVES .......................................................................................................................... 666.1 PROGRAMME DE MISE EN PLACE DE L’AUTOSURVEILLANCE ...................................................................... 666.2 SUBVENTION DE L’AGENCE DE L’EAU RHIN MEUSE ET NOTIONS IMPORTANTES ........................................... 67CONCLUSION ................................................................................................................................. 68BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................................. 69ANNEXES .................................................................................................................................... 70Marie Evrard 8

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESTable des annexesAnnexe 1 : Plan de la Communauté Urbaine de Strasbourg ........................................................... 70Annexe 2 : Organigramme du service assainissement .................................................................... 71Annexe 3 : Organisation de la télégestion des déversoirs d’orage .................................................. 72Annexe 4 : Plan de situation des cinq déversoirs d’orage instrumentés à l’amont et à l’aval del’ouvrage de déversement ............................................................................................ 73Annexe 5 : Note technique sur les courbes de remous ................................................................... 75Annexe 6 : Plan de situation des quatre déversoirs d’orage instrumentés dans la conduite déverséede l’ouvrage de déversement ....................................................................................... 76Annexe 7 : Influence du milieu naturel sur la hauteur d’eau dans le déversoir ............................... 78Annexe 8 : Courbes d’incertitudes pour les deux lois dégradées – DO 139 ..................................... 79Annexe 9 : Liste des déversoirs d’orage à instrumenter avec leurs caractéristiques ....................... 80Marie Evrard 9

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESTable des figuresFigure 1: Fonctionnement d'un déversoir d'orage ................................................................................ 15Figure 2: Détermination du volume déversé: emplacements et méthodes de la mesure [13] ............ 17Figure 3: Hauteur en fonction du débit ................................................................................................. 22Figure 4: Analyse courbe de remous: conduite amont, Dusuzeau ....................................................... 23Figure 5: Analyse courbe de remous: conduite amont, Wacken .......................................................... 24Figure 6: Principe de calcul du débit déversé avec mesure de la lame d'eau ....................................... 26Figure 7: Principe de la démarche d’instrumentation de la lame déversante d’une déversoir ............ 27Figure 8: Schéma de fonctionnement d'ANSYS ..................................................................................... 28Figure 9: Plan de situation du déversoir de la Roberstau ..................................................................... 29Figure 10: Photos du site de la Robertsau ............................................................................................. 30Figure 11: Vue 3D du déversoir de la Robertsau ................................................................................... 31Figure 12: Maillage du déversoir de la Robertsau ................................................................................. 32Figure 13: Localisation des conditions aux limites – déversoir de la Robertsau ................................... 35Figure 14: Surface libre obtenue pour la simulation 1 – déversoir de la Robertsau ............................. 36Figure 15: Surface libre obtenue pour la simulation 8 – déversoir de la Robertsau ............................. 36Figure 16: Surface libre obtenue pour la simulation 15 – déversoir de la Robertsau ........................... 36Figure 17: Emplacement des capteurs du déversoir de la Robertsau ................................................... 37Figure 18: Profil en long de la conduite déversée du déversoir de la Robertsau ................................. 37Figure 19: Organigramme des déversements du déversoir de la Robertsau ........................................ 38Figure 20: Incertitude sur la valeur du débit déversé – déversoir de la Robertsau .............................. 39Figure 21: Plan de situation du déversoir 139 de la commune d’Illkirch .............................................. 40Figure 22: Photographie des conduites amont 2 et aval ainsi que la crête déversante du DO139 ...... 41Figure 23: Vue 3D du déversoir 139 de Illkirch ..................................................................................... 41Figure 24 : Maillage du déversoir 139 ................................................................................................... 42Figure 25: Localisation des conditions aux limites – déversoir 139 ...................................................... 44Figure 26: Surface libre de la simulation 8 – déversoir 139 .................................................................. 45Figure 27: Surface libre de la simulation 14 – déversoir 139 ................................................................ 45Figure 28 : Vue de dessus du déversoir 139 - localisation des capteurs de hauteur d’eau ................. 46Figure 29: Incertitude sur le débit déversé calculé pour le déversoir 139 d’Illkirch ............................. 47Figure 30: Plan de situation du déversoir du Bassin de l'Industrie ....................................................... 48Figure 31: Photos du site: Bassin de l'Industrie .................................................................................... 49Figure 32: Vue 3D du déversoir du Bassin de l'Industrie ....................................................................... 49Marie Evrard 10

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESFigure 33: Maillage du déversoir du Bassin de l'Industrie .................................................................... 50Figure 34: Localisation des conditions aux limites – déversoir du Bassin de l’industrie ....................... 51Figure 35: Surface libre de la simulation 1 – déversoir du Bassin de l’Industrie ................................... 52Figure 36: Surface libre de la simulation 5 – déversoir du Bassin de l’Industrie ................................... 52Figure 37: Vue de dessus du Bassin de l’Industrie - localisation du capteur de hauteur d'eau ............ 53Figure 38: Profil en long de la conduite déversée du déversoir du Bassin de l'Industrie ..................... 54Figure 39: Géométrie de la jonction pente forte/ pente faible – Bassin de l’Industrie ........................ 55Figure 40: Surface libre de la simulation 1_cana – Bassin de l’industrie .............................................. 55Figure 41: Surface libre de la simulation 4_cana – Bassin de l’Industrie .............................................. 56Figure 42: Courbe de remous dans la conduite 2 pour Q=0.2 m 3 /s...................................................... 57Figure 43: Courbe de remous dans la conduite 1 pour Q=0.5 m 3 /s...................................................... 57Figure 44: Courbe de remous dans la conduite 1 pour Q=0.8 m 3 /s...................................................... 58Figure 45: Loi de déversement du déversoir Bassin de l'Industrie ....................................................... 59Figure 46: Incertitude commise sur la loi de déversement du Bassin de l'Industrie ............................ 59Figure 47: Emplacement de la vanne/ seuil sur le déversoir 50 ........................................................... 60Figure 48: Dispositif expérimental pour tester la vanne/ seuil ............................................................. 61Figure 49: Déversement de la vanne/ seuil modélisé avec ANSYS ....................................................... 62Figure 50: Photographies de la vanne/ seuil du DO 50 ......................................................................... 62Figure 53: Organigramme paramétrage du débit déversé du DO 50 ................................................... 63Figure 54: Déversement du DO 50, les 3 et 4 juillet 2010 ..................................................................... 65Table des tableauxTableau 1: Simulations effectuées pour le déversoir de la Robertsau .................................................. 33Tableau 2: Simulations effectuées pour le déversoir 139 ..................................................................... 43Tableau 3: Loi de déversement en mode dégradée- déversoir 139 ..................................................... 47Tableau 4: Simulations effectuées pour le déversoir du Bassin de l'Industrie ..................................... 51Tableau 5: Simulations de la canalisation déversée du déversoir du Bassin de l'Industrie .................. 55Tableau 6: Conditions aux limites de la conduite 2 (déversoir du Bassin de l’Industrie) ...................... 56Tableau 7: Simulations supplémentaires pour le déversoir du Bassin de l'Industrie ........................... 58Tableau 8: Equations de seuil et de vanne utilisées .............................................................................. 65Marie Evrard 11

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESIntroductionDepuis la Directive Cadre sur l’Eau du 23 octobre 2000, la législation française impose lasurveillance de la qualité des eaux. Cette obligation est exprimée dans la Loi sur l’Eau et les MilieuxAquatiques du 30 décembre 2006. Le devoir de maîtriser la quantité et la qualité des rejets directsdes réseaux d’assainissement vers le milieu naturel est donc établi. L’arrêté du 22 juin 2007 [15] estle dernier texte en date imposant les conditions d’autosurveillance des déversoirs d’orage.Les déversoirs d’orage sont des ouvrages de contrôle présents sur les réseauxd’assainissement de type unitaire. Ils permettent l’évacuation directe d’une partie du débit transitantdans le réseau vers le milieu naturel dans le but de protéger la station de traitement des eaux uséesd’une surcharge hydraulique.Dans ce cadre réglementaire, la Communauté Urbaine de Strasbourg a entamé sa démarched’instrumentation des réseaux d’assainissement et plus particulièrement de ses déversoirs. Le stageprésenté dans ce rapport consiste à dresser un bilan des performances de l’instrumentationactuellement en place et d’établir la métrologie de nouveaux déversoirs.Le choix de nouvelles instrumentations doit tenir compte des conditions hydrodynamiqueslocales, puisqu’une mauvaise connaissance de celles-ci pourrait mener à des résultats erronés, voireinexploitables. La méthode de mesure retenue est la mesure de la lame d’eau. Dans le butd’optimiser le positionnement des capteurs de hauteur et ainsi l’estimation du débit déversé, lamodélisation 3D a été utilisée.La Communauté Urbaine de Strasbourg attache une grande importance à l’étude hydrauliquedes déversoirs d’orage afin d’obtenir des résultats les plus fiables possibles. Effectivement, au-delàde son caractère obligatoire, l’autosurveillance constitue une réelle opportunité d’optimisation de lagestion du réseau d’assainissement et la Communauté Urbaine de Strasbourg en a bien conscience.Ce rapport présente d’abord la Communauté Urbaine de Strasbourg et plus particulièrementson service assainissement. Ensuite, les données de l’instrumentation déjà en place sont exploitées.Puis de nouveaux déversoirs sont traités, en passant notamment par la présentation de ceux-ci et ladescription de la mise en œuvre de la modélisation 3D pour obtenir une instrumentationperformante. Finalement, les perspectives du projet seront établies.Marie Evrard 13

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES1 Présentation de la Communauté Urbaine de StrasbourgLa Communauté Urbaine de Strasbourg (CUS) a été créée en 1966 dans le but de rassemblerplusieurs communes afin de résoudre les déséquilibres entre Strasbourg et les communespériphériques et de répondre aux exigences d’une urbanisation croissante. Cette communautéurbaine a permis d’engendrer une solidarité financière et la défense d’intérêts communs descommunes membres.Depuis le 1er janvier 2006, la CUS compte 28 communes réparties sur un territoire de 316km², la ville de Strasbourg représentant plus de 25% de cette superficie. En 2004, la population adépassé la barre des 450 000 habitants [3].Annexe 1 : Plan de la Communauté Urbaine de Strasbourg1.1 Le service assainissement de la CUSEn ce qui concerne l’assainissement, la CUS est maître d’ouvrage sur l’ensemble du territoirecommunautaire. Elle assure en régie le contrôle, l’entretien et l’exploitation des réseauxd’assainissement de Strasbourg, Oberhausbergen, Oberschaeffolsheim, Wolfisheim et Eckbolsheim.Les réseaux situés sur les 23 autres communes de la CUS sont entretenus par le Syndicat Des Eaux etde l’Assainissement du Bas-Rhin (SDEA).Deux stations d’épuration et deux stations de prétraitements (sauf azote et phosphore)traitent les eaux usées de la CUS. La gestion des stations est confiée à la société Valorhin (Lyonnaisedes Eaux) dans le cadre d’un contrat d’affermage.Afin d’assurer ses missions, le service de l’assainissement de la CUS compte 132 postes, dont80 sont affectés à l’exploitation et à la maintenance du réseau, 17 à la maîtrise d’ouvrage etprospective et 12 aux stations d’épuration [4].Annexe 2 : Organigramme du service assainissement1.2 Le département Qualité et Télé-contrôle des Rejets (QTR)Le département a pour objectif de suivre la qualité des effluents du réseau. Il est composé de8 personnes et a compétence sur :‣ les eaux non domestiques,‣ la qualité des eaux dans le réseau et l’impact sur le milieu naturel,‣ les réseaux de mesures et d’alertes.Le stage réalisé s’inscrit dans la dernière compétence. Plusieurs types de mesures et d’alertessont présents dans le réseau d’assainissement de la CUS et plus généralement sur l’ensemble duterritoire. Actuellement, 150 stations de pompage sont instrumentées et télé-gérées en temps réelpar le département. De plus, 27 pluviomètres ont été installés pour permettre de connaître lesévènements pluvieux. Afin de contrôler la qualité des flux, chaque année, deux campagnes demesures de sept jours renseignent sur la qualité et la quantité d’eaux usées transitant par 17 pointsreprésentatifs du réseau d’assainissement. La CUS possède 318 déversoirs d’orage, dont 15 sont déjàinstrumentés de manière permanente. Cette instrumentation permet de connaître le volume d’eaunon traitée, rejeté directement au milieu naturel.Marie Evrard 14

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES2 Cadre technique et législatif de l’étudeLa Communauté Urbaine de Strasbourg se doit dès à présent de prendre des dispositionspour satisfaire aux exigences réglementaires relatives à l’autosurveillance. Le stage réalisé ici s’inscritdans cette démarche et concerne l’instrumentation des déversoirs d’orage.De plus, cette démarche entre dans le champ des thématiques de recherche du laboratoire« Systèmes Hydrauliques Urbains » de l’Ecole Nationale du Génie de l’Eau et de l’Environnement deStrasbourg (ENGEES), plus particulièrement en ce qui concerne l’hydraulique des réseaux, lamodélisation et la métrologie. Une convention d’étude a donc été mise en place entre la CUS etl’ENGEES.2.1 Rappel sur les déversoirs d’orageLes déversoirs d’orage sont des ouvrages qui permettent le rejet direct d’une partie deseffluents du réseau d’assainissement vers le milieu naturel lorsqu’un débit de référence est dépassé.De cette manière, le déversement n’a lieu que si la hauteur du fluide atteint la hauteur de la crêtedéversante. Les déversoirs sont en général présents sur les réseaux d’assainissement de type unitaireet ils permettent d’empêcher une surcharge hydraulique à la station d’épuration en temps de pluie[14].Le schéma ci-dessous montre de manière simplifiée le fonctionnement d’un déversoird’orage :Figure 1: Fonctionnement d'un déversoir d'orage2.2 Le contexte législatif : autosurveillance des réseauxLa Directive Cadre sur l’Eau et la Loi sur l’Eau et les Milieux Aquatiques exigent un retour aubon état écologique des masses d’eau d’ici 2015. Il est donc nécessaire de connaître les impacts desrejets des réseaux d’assainissement pour pouvoir à terme diminuer leurs effets. L’arrêté du 22 juin2007 [15] est le dernier texte en date imposant les conditions d’autosurveillance des réseauxd’assainissement. Il ordonne de façon très précise à la collectivité les actions à mettre en œuvre pourassurer ses obligations réglementaires.L’arrêté du 22 juin 2007 [15] fixe la réglementation concernant principalement les stationsd’épuration, les collecteurs d’eaux usées et les ouvrages de déversement. L’étude menée dans cerapport concerne les déversoirs d’orage, donc seul l’article 18 de l’arrêté qui est en rapport avecl’autosurveillance de ces ouvrages est présenté ici.Marie Evrard 15

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESCet article stipule que :« Les déversoirs d’orage et dérivations éventuelles situés sur un tronçon destiné à collecter unecharge brute de pollution organique par temps sec supérieure à 120 kg/j de DBO 5 et inférieure ouégale à 600 kg/j de DBO 5 font l’objet d’une surveillance permettant d’estimer les périodes dedéversement et les débits rejetés. Les déversoirs d’orage et dérivations éventuelles situés sur untronçon destiné à collecter une charge brute de pollution organique par temps sec supérieure à 600kg/j de DBO 5 font l’objet d’une surveillance, permettant de mesurer en continu le débit et d’estimer lacharge polluante (MES, DCO) déversée par temps de pluie ou par temps sec.Le préfet peut remplacer les prescriptions de l’alinéa précédent par le suivi des déversoirs d’oragereprésentant plus de 70 % des rejets du système de collecte. » [15]Dans le cas de la Communauté Urbaine de Strasbourg, le préfet a imposé par un arrêté queles déversoirs d’orage représentant plus de 70% des rejets du système de collecte doivent êtreinstrumentés de manière permanente en débimétrie.2.3 Convention entre la CUS et l’ENGEESLa convention établie entre la CUS et l’ENGEES fixe un cadre structuré, tant techniquequ’administratif, de la coopération permettant à chacune des parties de progresser simultanémentdans son domaine.Pour l’ENGEES, il s’agit :‣ De répondre à sa mission de transfert-valorisation et de validation des méthodologies qu’ellea contribué à mettre au point et faire progresser les connaissances pour en élaborer de nouvelles.‣ Mais aussi de bénéficier des relations partenariales d’un gestionnaire opérationnel d’unréseau d’assainissement pour valider les résultats de ses travaux.Pour le service assainissement de la CUS, il s’agit, par le biais de ce partenariat :‣ De nourrir sa réflexion stratégique et prospective en matière d’assainissement urbain, enparticulier de dégager les enjeux stratégiques du service tant au niveau opérationnel, technique quefinancier,‣ De consolider les bases scientifiques de l’action du service d’assainissement de la CUS etrenforcer les compétences générales de ses équipes.Cette convention est mise en place pour une durée de 3 ans.Marie Evrard 16

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES3 Principes d’instrumentation des déversoirs d’orageLa réglementation impose la surveillance d’une partie des débits rejetés au milieu naturel parles déversoirs d’orage grâce à des mesures réalisées en continu. L’installation d’une instrumentationde qualité permettra d’optimiser et de fiabiliser le fonctionnement des ouvrages en améliorant leurgestion et leur entretien. Une instrumentation de qualité doit également intégrer des critèreséconomiques, d’une part sur l’investissement et d’autre part sur la maintenance, le renouvellementdes équipements et la gestion des données acquises.Dans le but d’évaluer le débit déversé, l’instrumentation d’un déversoir d’orage peut êtreréalisée suivant 3 principes [13] :‣ la mesure du débit dans le canal de décharge,‣ la mesure du débit à l’amont et à l’aval du déversoir,‣ la mesure de la lame déversante sur le déversoir.Le schéma ci-dessous représente les 3 principes d’instrumentation :Figure 2: Détermination du volume déversé: emplacements et méthodes de la mesure [13]3.1 La mesure du débit à l’amont et à l’aval du déversoirCette méthode consiste à mesurer le débit à l’amont et à l’aval du déversoir. Le débit déverséest alors obtenu par différence. La méthode est applicable à tous les types de déversoirs. Par tempssec, un doublement de la mesure permet une vérification du fonctionnement du dispositifd’instrumentation.Cependant, cette méthode présente l’inconvénient de doubler les frais d’équipement,d’augmenter l’incertitude sur la mesure du volume déversé et d’augmenter également les temps detraitement et de validation des données (même par temps sec).3.2 La mesure dans le canal de décharge du déversoirCette approche permet de limiter les points de mesure à installer. Le système ne fournit pasde mesures pendant les périodes de temps sec. Généralement, le débit est obtenu par une mesurede hauteur d’eau et de vitesse.L’inconvénient principal de cette méthode est le risque d’influence aval du milieu récepteurqui n’est pas négligeable. La conséquence directe est une chute des vitesses et surtout unestagnation de l’eau qui limite l’efficacité des capteurs à effet Doppler compte tenu de leur gamme devitesse.Marie Evrard 17

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES3.3 La mesure de la lame déversante sur le déversoirLe principe de cette méthode est de mesurer la hauteur de la lame déversante grâce à dessondes à ultrasons aériennes et de calculer le débit déversé par l’intermédiaire d’une loi de type« seuil ».La mise en place d’un seul ultrason n’est possible que dans le cas où l’écoulement estentièrement fluvial ou torrentiel. Dans le cas contraire, la présence d’un ressaut hydraulique entraîneune nécessité de mettre plusieurs capteurs [11]. De plus, le fait d’avoir plusieurs capteurs permet depouvoir corréler les mesures entre elles et ainsi d’obtenir une vérification de l’état dufonctionnement de l’instrumentation.L’objectif de ce type d’instrumentation est d’évaluer, à partir de la loi de l’ouvrage, le débitdéversé par la mesure de plusieurs hauteurs d’eau. La loi de déversement de type « seuil » seformule couramment :Q a . hdéverséAvec a i et b i des coefficients à caler dans chaque configuration de déversoirs et h i leshauteurs d’eau mesurées par les capteurs.Cependant, il est possible d’utiliser n’importe quelle autre fonction ayant des puissancesassez faibles. Dans ce cas, la méthode reste la même, seule la loi de déversement s’éloigne de celled’un seuil.ni1iib iMarie Evrard 18

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES4 Etude et exploitation des données existantesDans cette partie, l’étude des neuf premiers déversoirs équipés par la CUS entre 2002 et2005 est réalisée. Suivant les cas, les déversoirs sont instrumentés soit dans la conduite déversée soitdans les conduites amont et aval. L’étude va permettre d’évaluer le fonctionnement et laperformance de l’instrumentation.4.1 Le système de télégestionDepuis près de 10 ans, les données de l’autosurveillance des déversoirs d’orage sontrecueillies grâce à un système de télégestion. La description du fonctionnement de celui-ci pourraitpermettre de comprendre la provenance de certaines sources d’erreur dans l’analyse des données.Sur les sites instrumentés se trouvent des enregistreurs (Mainstream III, Hydreka) quipermettent de conserver durant un certain laps de temps (jusqu’à six mois) les données de vitesseset de hauteurs mesurées. Il est possible de paramétrer les sections des conduites dans cesenregistreurs afin d’obtenir les débits transitant dans le réseau.Un transmetteur (PERAX P200 XM et Sofrel S50) permet tous les soirs à un superviseur(PANORAMA) de se connecter aux neuf sites de mesure et d’acquérir les données enregistrées aucours de la journée. Une fois ces dernières transmises, le superviseur procède à un prétraitement surcelles-ci.Les données sont ensuite envoyées de manière quotidienne vers un PC d’exploitation. Latransmission est possible grâce à un réseau interne à la CUS. Le logiciel EVE’m est le superviseur quipermet d’analyser les données et d’agir sur celles-ci. Il permet aussi de valider les données et de lesexporter pour une gestion interne ou en format SANDRE pour répondre aux exigences del’autosurveillance.Remarque : en cas de panne du superviseur PANORAMA, il est possible d’intégrer de manièremanuelle les valeurs mesurées sur sites dans EVE’m et ainsi de diminuer les pertes d’informations.Annexe 3 : Organisation de la télégestion des déversoirs d’orage4.2 Les déversoirs instrumentés à l’amont et à l’avalCinq déversoirs sont concernés par ce type d’instrumentation. A l’amont et à l’aval de cesdéversoirs, les hauteurs sont mesurées avec des piézomètres et les vitesses avec des Dopplers. Pourchaque déversoir, la même procédure a été réalisée. Dans un premier temps, un an de mesures(année 2009) a été récupéré grâce à EVE’m. Une première analyse qualitative a été faite sur lesvaleurs. Il était par exemple intéressant de se concentrer sur les plages de mesure et les éventuellesdérives des capteurs. Si cette première vérification ne montrait pas de comportements anormauxdes capteurs, alors une analyse hydraulique quantitative était menée.Annexe 4 : Plan de situation des cinq déversoirs d’orage instrumentés à l’amont et à l’aval del’ouvrage de déversementMarie Evrard 19

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES4.2.1 Analyses qualitativesLors de cette première étude, les paramètres suivants ont été vérifiés pour avoir un avis surle fonctionnement des capteurs :‣ La plage de mesure des capteurs et plus particulièrement des Dopplers qui annonçaient desvitesses trop faibles (le fournisseur explique dans la notice des Dopplers que des vitesses inférieuresà 5 cm/s ne peuvent pas être mesurées de manière fiable).‣ La vitesse moyenne en temps sec qui montre des éventuelles dérives des capteurs avec letemps.‣ Les changements brutaux de valeurs mesurées (explicables ou non).Les paragraphes suivants dressent un bilan des constatations par déversoir.DO 4 : Quai au sable :L’étude du temps sec permet de montrer que les piézomètres fournissent des hauteurs debonne qualité et notamment qu’aucune dérive n’est constatée. Les Dopplers fonctionnent aussicorrectement avec des variations comprises entre 10 et 50 cm/s. Les plages de mesure semblentdonc correctes et aucune dérive n’est constatée.Cependant, l’étude du temps de pluie montre des changements brutaux de comportements.Effectivement, lors des orages qui provoquent des déversements, il est constaté une nette montéedes eaux dans le réseau et une forte diminution de la vitesse. Ce comportement s’explique parl’ouverture du clapet anti-retour lors du déversement qui reste en position ouverte même aprèsl’orage. Le milieu naturel entre alors dans le réseau et finit par stagner, ce qui explique les vitessestrès faibles. L’intervention des agents réseaux est nécessaire pour fermer le clapet (environ 3 joursaprès l’évènement pluvieux en moyenne).L’utilisation de Dopplers ne semble pas adaptée à ce site, puisqu’une perte d’information estconstatée à chaque évènement pluvieux. Il serait donc souhaitable de résoudre le problèmed’étanchéité du clapet ou de changer l’instrumentation actuellement en place sur le réseau.DO 46 : Dusuzeau :Les piézomètres fournissent des hauteurs de bonne qualité, le signal est net et il n’y a pas dedérive. Les Dopplers fonctionnent aussi correctement avec des vitesses comprises entre 20 cm/s et2 m/s. La variation de la vitesse est en accord avec celle de la hauteur, aussi bien en temps sec(alternation jour/nuit) que pour la détection d’évènements pluvieux.La consultation des débits calculés montre que les débits amont et aval sont égaux lors dutemps sec et que le débit amont est supérieur au débit aval lors du temps de pluie.La bonne qualité des données de hauteurs et de vitesses valide cette analyse qualitative. Lesvaleurs mesurées vont être traitées par la suite de manière quantitative.DO 302: Abbe Lemire :Le piézomètre aval est hors service depuis 2008. Le piézomètre amont semble donner desdonnées de bonne qualité, aucune dérive n’est visible.Marie Evrard 20

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESLa mesure de vitesse à l’aval semble être plutôt bonne, 93% des mesures sont comprisesentre 5 cm/s et 1 m/s. Le fonctionnement du Doppler amont est lui beaucoup moins efficace : sonfonctionnement semble être anormal en hiver. Effectivement, alors que pendant le second semestre2009, 97% des valeurs appartiennent à l’intervalle 5 cm/s à 1 m/s, lors du premier semestre,seulement 23% des valeurs sont supérieures à 5 cm/s. Le changement de comportement du capteurest très net : en juin 30% des valeurs sont supérieures à 5 cm/s alors qu’en juillet 93% des valeurssont supérieures à cette même valeur. Il semblerait que ce changement de comportement surviennelors du curage du réseau réalisé au début de l’été. La période de fortes pluies qui suit ce curagemaintient le réseau propre jusqu’en décembre avec la mise en mouvement du dépôt. Lorsque l’hiverarrive (janvier), le dépôt s’installe, les curages ne sont que ponctuels et le fonctionnement duDoppler s’altère par manque de visibilité.L’utilisation de Dopplers dans ce secteur ne semble pas très bien adaptée. La forte présencede dépôt entraîne une nécessité trop grande d’entretien. Il serait donc souhaitable de changerl’instrumentation actuellement en place sur le réseau.Remarque : début 2011, le réseau a été curé complètement au niveau de ce déversoir et la machineà sable qui était responsable du dépôt ne fonctionne plus. Il pourrait être intéressant de laisser unsursis à l’instrumentation pour voir si en l’absence de dépôt, les Dopplers sont plus performants.DO 304: Wacken :Les piézomètres fournissent des hauteurs de bonne qualité, le signal est net et il n’y a pas dedérive. Les Dopplers fonctionnent aussi correctement avec des vitesses comprises entre 20 cm/s et1 m/s. La variation de la vitesse est en accord avec celle de la hauteur, aussi bien en temps sec(alternation jour/nuit) que pour la détection d’évènements pluvieux.La consultation des débits calculés montre que les débits amont et aval sont égaux lors dutemps sec et que le débit amont est supérieur au débit aval lors du temps de pluie.La bonne qualité des données de hauteurs et de vitesses valide cette analyse qualitative. Lesvaleurs mesurées vont être traitées par la suite de manière quantitative.DO 315: Montagne verte :Les piézomètres fournissent des hauteurs de bonne qualité, le signal est net et il n’y a pas dedérive. Les Dopplers fonctionnent aussi correctement avec des vitesses comprises entre 50 cm/s et2 m/s. La variation de la vitesse est en accord avec celle de la hauteur, aussi bien en temps sec(alternation jour/nuit) que pour la détection d’évènement pluvieux.La consultation des débits calculés montre que les débits amont et aval sont égaux lors dutemps sec et que l’ordre de grandeur des débits déversés est de 1000 m 3 /h, ce qui sembleacceptable.Remarque : Lors des temps de pluie, la hauteur d’eau augmente et la vitesse diminue, ce phénomèneest présent à l’amont et à l’aval. Ceci provoque une faible variation des débits mesurés, cependant ladifférence entre le débit amont et le débit aval est bien positive.Les données de hauteurs et de vitesses ne semblent pas aberrantes, ce qui valide cetteanalyse qualitative. Les valeurs mesurées vont être traitées par la suite de manière quantitative.Marie Evrard 21

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES4.2.2 Analyses quantitativesLes déversoirs Dusuzeau, Wacken et Montagne verte présentent des valeurs brutes devitesses et de hauteurs de bonne qualité. Il est donc possible de procéder à une analyse quantitativede ces mesures.La méthode choisie pour déterminer l’exactitude des mesures est la suivante. La même étudeest réalisée pour chaque collecteur. Pour chacun d’entre eux, la forme et les dimensions de lacanalisation sont connues, ainsi que la pente, le coefficient de Strickler est quant à lui fixé à70 m 1/3 .s -1 . La hauteur d’eau et la vitesse sont mesurées.Une première hypothèse est émise : la mesure de hauteur est juste, du moins il s’agit de laplus fiable. Pour chaque hauteur mesurée, il va donc être possible de calculer le débit critique et ledébit normal de la canalisation avec les formules suivantes :2 / 3Q S g.et Q K.I . R S avecCD hN h.R Sh etPD ShBQ C : débit critique (m 3 .s -1 )Q N : débit normal (m 3 .s -1 )S : surface mouillée (m 2 )g : constante de gravité (m.s -2 )K : coefficient de Strickler (m 1/3 .s -1 )I : pente de la canalisation (m/m)R h : rayon hydraulique (m)D h : diamètre hydraulique (m)B : largeur au miroir (m)P : périmètre mouillé (m)Il est ensuite possible d’obtenir la représentation de Q C et Q N dans le graphique h = f(Q). Pourdeux des trois cas étudiés, il s’agit de pente faible, le débit normal est donc supérieur au débitcritique. Le graphique ci-dessous est donc obtenu :hFigure 3: Hauteur en fonction du débitIl est ensuite possible de calculer le débit transitant dans la conduite en tenant compte de lavitesse mesurée. La pente étant faible, le régime d’écoulement devrait vraisemblablement êtrefluvial et par conséquent la courbe de remous devrait être soit une M 1 , soit une M 2 . [7]Annexe 5 : Note technique sur les courbes de remousSi le débit calculé avec la hauteur et la vitesse ne se trouvait pas dans les zones M1 ou M 2alors il serait nécessaire de s’intéresser à l’amont de l’écoulement pour trouver la cause de ce régimetorrentiel. Dans le cas où il n’y aurait pas de point de contrôle à l’amont alors il serait possible deconclure que l’instrumentation n’est pas fiable.Marie Evrard 22

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESDO 46 (Dusuzeau) et DO 315 (Montagne verte) :Les deux déversoirs se trouvent dans le cas théorique évoqué ci-dessus. Grâce auxcaractéristiques des conduites et aux mesures réalisées dans le réseau, il a été possible de montrerque pour les quatre conduites (conduites amont et aval à chaque déversoir), la pente est faible, lerégime d’écoulement est fluvial et que la courbe de remous est une M 1 . Ceci est en accord avec lesrésultats attendus, l’instrumentation est donc fiable.Le graphique ci-dessous représente l’analyse du débit dans la conduite amont du déversoirDusuzeau pendant l’été 2009 :M 1M 2TorrentielFigure 4: Analyse courbe de remous: conduite amont, DusuzeauRemarque : la période « été 2009 » a été choisie car elle est représentative du temps sec et dedifférents évènements pluvieux.Remarque : les graphiques obtenus pour les trois autres canalisations sont très semblables à celui cidessus.Par conséquent, en plus de fournir des mesures de bonne qualité, l’instrumentation de cesdeux déversoirs fournit des valeurs hydrauliques pertinentes. Il est donc possible de les conserver etd’obtenir le débit déversé par ces deux déversoirs de manière relativement fiable.DO 304: Wacken :La pente des canalisations près du déversoir du Wacken est de 0,9%, ce qui est plus élevé quepour les déversoirs précédents. Lors du tracé du graphique h = f(Q), il est noté que sur la majorité dugraphique la courbe du débit critique est supérieure à celle du débit normal. Il s’agit donc d’unepente forte.Le graphique h = f(Q) a donc été tracé dans le même contexte que précédemment.Marie Evrard 23

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESLe graphique ci-dessous représente l’analyse du débit dans la conduite amont du déversoirpendant l’été 2009 :S 1TorrentielFigure 5: Analyse courbe de remous: conduite amont, WackenLa courbe de remous obtenue est une S 1 , ce qui caractérise un écoulement fluvial dans unecanalisation à pente forte. Une courbe similaire est aussi notée à l’aval du déversoir. En admettantque l’écoulement soit torrentiel à l’aval du déversoir, il est possible de validée la S 1 de la conduiteamont.Pour vérifier la pertinence de la mesure, il serait maintenant intéressant de trouver quel est lepoint de contrôle qui caractérise la courbe de remous à l’aval du déversoir.Par conséquent, les mesures fournies par l’instrumentation de ce déversoir donnent desrésultats hydrauliques qui ne sont pas dans la configuration attendue. Une étude plus précise du site,avec recherche du point de contrôle aval, permettrait de valider ou non définitivementl’instrumentation et d’exploiter les valeurs en toute confiance.4.3 Les déversoirs instrumentés dans la conduite déverséeQuatre déversoirs sont concernés par ce type d’instrumentation. Dans la conduite déverséese trouve un Doppler pour mesurer la vitesse et un piézomètre pour la hauteur. Pour deux de cesdéversoirs, la conduite conservée a aussi été instrumentée. Selon le même principe que pour les cinqpremiers déversoirs, une analyse qualitative des données a été faite.Il est à noter que dans le cas d’une instrumentation dans les conduites déversées, lors dutemps sec, seul le milieu naturel stagne dans la conduite et dans ce cas les Dopplers n’enregistrentaucune vitesse. Lors des évènements pluvieux, la mise en mouvement de la masse d’eau « réveille »les Dopplers et des mesures sont obtenues.Annexe 6 : Plan de situation des quatre déversoirs d’orage instrumentés dans la conduite déverséede l’ouvrage de déversementMarie Evrard 24

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESDO 94, 95-1 et 95-2 : Schiltigheim :Sur ce site, trois déversoirs sont présents, et les trois canalisations déversées de ceux-ci sontinstrumentées.Les piézomètres fournissent des hauteurs de bonne qualité, le signal est net et il n’y a pas dedérive. Le Doppler du DO 94 fonctionne avec des pics d’intensité lors des évènements pluvieux, cequi est normal. Les deux Dopplers des DO 95 fournissent eux des mesures aberrantes, de l’ordre de1000 m/s lors des déversements. La vitesse donnée par EVE’m est donc fausse, il faut maintenantvérifier s’il s’agit vraiment d’un problème de mesure lié aux capteurs ou de transmission/ traitementde données.Il a été possible de retrouver le débit déversé calculé par le Mainstream, l’ordre de grandeurest du millier de m 3 /h, ce qui est tout à fait acceptable. Pour que le débit soit correct, cela impliqueque la vitesse mesurée soit de qualité aussi. Il ne s’agit donc pas d’un disfonctionnement desDopplers. L’explication la plus vraisemblable serait qu’il y ait une erreur dans PANORAMA (mauvaisecorrection des valeurs dans le prétraitement ?).La bonne qualité des données de hauteurs et de vitesses (trouvées dans le Mainstream)valide cette analyse qualitative. Il est cependant nécessaire de trouver la source d’erreur qui fausseles données de EVE’m afin de pouvoir transmettre des bilans d’autosurveillance justes. Cette missiona été réalisée par l’équipe technique de la Communauté Urbaine de Strasbourg.DO 97 et 99 : Hoenheim :Sur ce site, deux déversoirs sont présents, et les deux canalisations déversées de ceux-ci sontinstrumentées.Les mesures effectuées par les piézomètres ne sont pas de bonne qualité. Effectivement lescapteurs dérivent avec le temps. Des étalonnages réguliers sont donc nécessaires. Ce site demandedonc beaucoup d’investissement en temps d’entretien. Les Dopplers ne fournissent aucune donnée.Effectivement, en temps sec, ils sont immergés sous une masse d’eau importante et immobile. Lorsdes déversements, la mise en mouvement de la masse d’eau n’est pas assez importante et lescapteurs ne détectent pas le phénomène.Les dysfonctionnements de tous les capteurs présents sur ce site permettent d’affirmer qu’ilserait souhaitable de choisir une instrumentation mieux adaptée au site.DO 136 et 177 : Illkirch :Sur ce site, deux déversoirs sont en série. Une conduite qui regroupe le flux des deuxdéversements est instrumentée ainsi que la canalisation conservée qui suit le second déversoir.Les piézomètres fournissent des hauteurs de bonne qualité, le signal est net et il n’y a pas dedérive. Lors des déversements, le Doppler de la conduite déversée semble donner des mesuresacceptables (de l’ordre du m/s) : ces vitesses sont notées dans les périodes qui correspondent autemps de pluie relevé par les pluviomètres du bassin versant. Le Doppler présent dans la conduiteconservée fournit des vitesses en continu comprises entre 5cm/s et 1m/s pour 80% des mesures.Dans le but de valider les résultats, une analyse quantitative a été envisagée, cependant ellene serait possible que dans la conduite conservée, ce qui ne permet pas de tirer de conclusion sur lefonctionnement de l’instrumentation. L’analyse n’est pas possible dans la conduite déversée à causeMarie Evrard 25

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESLe schéma ci-dessous donne la méthodologie utilisée pour obtenir une instrumentation la plus fiable possible (cette méthode a été mise en placegrâce à plusieurs travaux réalisés par les doctorants et chercheurs de l’équipe Hydraulique Urbaine de l’ENGEES [5], [12] et [9]) :ANALYSE HYDRAULIQUE‣ Visite du siteCHOIX DU MODELE‣ Modèle 1D ou 3DCONCEPTION DU MODELE‣ Maillage 3DCONSTITUTION DE LA LOIHAUTEUR(S) / DEBIT‣ Relevé 3D du déversoir‣ Analyse des mesuresdisponibles‣ Prise d’information sur l’impactdu milieu naturel‣ Modèle de turbulence (pour lamodélisation 3D)‣ Modélisation des conditions auxlimites (amont, aval, déversé +impact du milieu)‣ Evaluation de l’erreurnumérique‣ Choix du nombre de capteur‣ Recherche de la position descapteurs‣ Détermination de la loi enminimisant les incertitudesFigure 7: Principe de la démarche d’instrumentation de la lame déversante d’une déversoirMarie Evrard 27

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES5.1 Présentation d’ANSYS – FluentANSYS Fluent utilise un modèle mécaniste basé sur les équations de Navier-Stockes. Unmodèle mécaniste étudie le mouvement réel d’un fluide et notamment les écoulements nonpermanents à surface libre. Ces modèles nécessitent peu de paramètres de calage, mais lacomplexité de résolution des calculs est grande [14].L’intérêt d’ANSYS Fluent est qu’il nécessite uniquement la connaissance de la géométrie del’ouvrage, l’étude des conditions aux limites et le choix du modèle de turbulence. Il permet ensuitede représenter les écoulements tridimensionnels et surtout la forme de la surface libre dans lesouvrages.L’environnement du logiciel (ANSYS Workbench) est une plate-forme qui regroupe des préprocesseurs,le solveur et des post-processeurs [1]. Le schéma ci-dessous fournit le fonctionnementd’ANSYS lors d’une utilisation en matière de mécanique des fluides :Figure 8: Schéma de fonctionnement d'ANSYSLes pré-processeurs permettent principalement :‣ pour DesignModeler : de définir et/ou modifier la géométrie du domaine de calcul,‣ pour ANSYS Meshing : de créer la grille de calcul appelée maillage.La méthode de résolution numérique utilisée dans le code de calcul FLUENT est la méthodedes volumes finis. Le domaine d’étude est discrétisé en volumes élémentaires. Cette méthode al’avantage d’être conservatrice : tous les flux sortants d’un volume de contrôle entrent dans unvolume de contrôle voisin.Le post-processeur ANSYS CFD Post permet de visionner les résultats des calculs réalisés parFLUENT. Il est ainsi possible de visualiser les tirants d’eau dans l’ouvrage, les lignes de courant et lesvecteurs vitesses par exemple.Marie Evrard 28

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES5.2 Application : le déversoir de la RobertsauIl a été expliqué dans la partie 4 que sur le site de la Robertsau, trois des cinq capteurs mis enplace ne sont plus en état de fonctionnement. De plus, la vitesse relativement faible en temps secdans les conduites ainsi que le milieu naturel stagnant rendent l’utilisation de Dopplers très délicate.Le déversoir de la Robertsau est donc bien un site où la méthode d’instrumentation grâce àla modélisation 3D doit être appliquée pour garantir uns instrumentation fiable.Remarque : ce premier déversoir est l’occasion de définir certaines notions et de les illustrer avec cetexemple. Ces éléments seront ensuite applicables à tous les déversoirs.5.2.1 LocalisationLe déversoir de la Robertsau est localisé sur le plan de situation ci-dessous :Figure 9: Plan de situation du déversoir de la RoberstauIl se trouve à l’amont d’une station de pompage possédant un débit maximum de 450 m 3 /h.Environ 50 m après l’ouvrage, le déversement a lieu dans le milieu naturel. Un clapet anti-retourempêche les flux du milieu naturel de remonter dans le réseau. Cependant, il n’est pas totalementétanche et la hauteur d’eau dans la conduite déversée est égale à celle du milieu naturel en tempssec.5.2.2 Fonctionnement hydrauliqueLe déversoir est caractérisé par une crête latérale variant de 70 à 72 cm de hauteur et de30 cm d’épaisseur. La longueur de crête est environ de 4,20 m. La conduite amont est semi-circulaire,elle a une hauteur de 1,65 m pour une largeur de 1,60 m. La conduite aval est de forme ovoïde avecun grand axe de 1.45 m de hauteur et un petit axe de 1 m. La conduite de déversement est quant àelle circulaire avec un diamètre de 1 m.Marie Evrard 29

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESLes photos suivantes montrent les caractéristiques de l’ouvrage :Figure 10: Photos du site de la RobertsauMarie Evrard 30

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES5.2.3 Géométrie de la modélisation 3DLa géométrie exacte du site a dans un premier temps été reproduite dans Design Modeler.Puis des éléments ont été ajoutés pour faciliter le calcul, notamment le toit de l’ouvrage a étérehaussé afin d’éviter que l’eau ne sorte par celui-ci. Ensuite, une « boîte » contenant un seuil a étéplacée à l’aval de la conduite déversée : elle va permettre de simuler l’influence du milieu naturel.La figure ci-dessous montre la manière dont le déversoir a été modélisé :Crête déversanteSortie déverséeEntréeSortie conservée5.2.4 MaillageFigure 11: Vue 3D du déversoir de la RobertsauPour obtenir des résultats de simulation corrects, le maillage doit être construit avec le plusgrand soin. Le choix du nombre de mailles constitue un compromis entre temps de calcul et qualitédes résultats. Plus le maillage est dense, plus les résultats seront en bon accord avec les mesures,mais plus le temps de calcul est long. En général, les résultats n’évoluent plus de façon significativeau delà d’un certain nombre de mailles. Construire un maillage plus fin n’est donc pas nécessaire.La construction du maillage concerne non seulement le nombre de mailles mais aussi leurtaille et leur forme. Typiquement, on densifie le maillage dans les zones où de forts gradients sontattendus. Inversement, dans les zones où les gradients attendus sont faibles, des mailles plusgrandes peuvent être utilisées. Quant à la forme des mailles, les hexaèdres sont privilégiés.Cependant, dans le cas de géométries aux formes complexes, il n’est pas toujours possible d’utiliserde telles mailles ; des mailles tétraédriques peuvent alors être utilisées.Marie Evrard 31

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESLa figure ci-dessous représente le maillage utilisé pour les calculs :Figure 12: Maillage du déversoir de la RobertsauLa nouvelle version de ANSYS permet d’obtenir un maillage comprenant le plus d’hexaèdrespossibles et donc d’obtenir un calcul stable. L’outil utilisé s’appelle « CutCellMeshing ». Afin derendre le maillage encore plus performant, la taille des mailles a été choisie plus petite au niveau dela crête déversante. Le nombre de mailles utilisées est de 534 628, la taille d’une maille est compriseentre 4,5 et 9 cm.5.2.5 Analyse des donnéesLa station de pompage située à l’aval du déversoir d’orage est normalement pleine lors desdéversements. Par conséquent, le débit aval au déversoir est limité par la puissance des pompes dela station. Lors d’un évènement pluvieux, le débit de la station est de 450 m 3 /h.Malgré la mauvaise qualité de l’instrumentation actuellement en place, il a néanmoins étépossible de remarquer que le clapet situé dans la conduite déversée ne s’ouvrait pas pour des petitsdéversements. La valeur seuil d’ouverture du clapet semble être une vitesse supérieure à 0,5 m/sdans la conduite déversée. Le débit du plus gros déversement noté en 2009 est de 4000 m 3 /h. Ledébit de pleine section de la canalisation déversée est d’environ 3500 m 3 /h. De plus, il est rappeléque le milieu naturel remonte dans la conduite déversée et que sa présence peut influencer ledéversement. En prenant en compte toutes ces données, il est possible d’établir une liste de 16simulations qui sont représentatives des conditions trouvées sur le site lors des orages.Marie Evrard 32

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESLe tableau ci-dessous représente les 16 simulations réalisées :Tableau 1: Simulations effectuées pour le déversoir de la RobertsauSimulation amont (m 3 /h) aval (m 3 /h) déversé (m 3 /h) niveau de l'Ill1Niveau 12 Niveau 2950 450 5003 Niveau 34 Niveau 45Niveau 16 Niveau 21450 450 10007 Niveau 38 Niveau 49Niveau 110 Niveau 22450 450 200011 Niveau 312 Niveau 413Niveau 114 Niveau 23450 450 300015 Niveau 316 Niveau 4Remarque : pour déterminer les simulations de ce déversoir, le débit maximum déversé a été fixé.Puis, pour les simulations précédentes, il a été divisé à chaque fois par deux. Le débit aval étant fixé,il est possible de déterminer le débit amont.Remarque : le modèle a été testé pour un débit déversé de 4000 m 3 /h, il est constaté que ledéversoir déborde, trois cas sont alors possibles : il y a des problèmes d’inondation sur ce déversoir,le modèle n’est pas juste ou l’ancienne instrumentation donnait des mesures pas totalement fiables.La présence du milieu naturel dans la conduite déversée, pousse à opter pour la troisième solution,effectivement dans ces conditions, les mesures faites par le Doppler possèdent une forteincertitude !5.2.6 Paramétrage de Fluent : modèle et schémas numériquesChoix du modèle de turbulence :Parmi les modèles de turbulence, certains ont été établis à partir d’une approche axée sur lesmécanismes de la turbulence (production, transport, dissipation). Dans ce contexte, le modèle k-εintroduit deux grandeurs, l’énergie cinétique turbulente par unité de masse, k, et son taux dedissipation par unité de masse, ε.Le principal avantage du modèle de turbulence k-ε est qu’il s’agit d’un modèle performant ennombre d’équations qui a fait l’objet d’une large validation par la communauté scientifique. Sesinconvénients sont qu’il ne reproduit pas finement des écoulements particuliers, parmi lesquels lesécoulements tourbillonnants et les écoulements rotatifs [8]. Enfin, il n’est pas adapté aux faiblesnombres de Reynolds.Marie Evrard 33

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESToutefois, ce modèle de turbulence répond bien aux conditions de fonctionnement d’undéversoir.Les schémas de discrétisation :Afin de permettre la résolution des équations de Navier-Stockes, trois schémas numériquessont utilisés :‣ un schéma amont au premier ordre : il permet de converger rapidement vers une solutionmais avec de la diffusion numérique,‣ un schéma amont au second ordre : il permet de limiter la diffusion mais il est très instable.‣ Un schéma HRIC (High Resolution Interface Capturing) : il convient au traitement de lafraction volumique. La fraction volumique est la proportion d’eau présente dans une cellule dumaillage. C'est-à-dire le volume d’eau divisé par le volume total de la maille.Compte tenu de ces contraintes d’utilisation, les calculs démarrent avec un schéma dupremier ordre pour terminer par un schéma du deuxième ordre (pour tous les paramètres sauf lafraction volumique).5.2.7 Conditions aux limitesUn choix inadéquat de conditions aux limites ne pourra aboutir à un résultat correct desvariables hydrauliques, dans la mesure où les variables au sein du maillage dépendent des variables àses frontières.Les principales conditions aux limites utilisées pour une modélisation hydraulique sont lessuivantes : entrée, sortie et mur.La surface libre est déterminée en post-traitement grâce au modèle Volume Of Fluid (V.O.F.).Conditions aux limites en entrée :En entrée, une vitesse est généralement imposée sur une partie de la section de façon àimposer un débit. En général, on choisit une vitesse uniforme sur la section d’entrée.Ce type de condition nécessite de renseigner les grandeurs turbulentes sur la limite. Dans lecas du modèle de turbulence k-ε, on peut renseigner le diamètre hydraulique et l’intensitéturbulente. L’aide de Fluent recommande d’utiliser l’équation suivante pour calculer l’intensitéturbulente :1 / 8I 0,16Re , avec Re le nombre de Reynolds [1].Conditions aux limites en sortie :Dans le cas d’un ouvrage présentant plusieurs sorties (canalisation aval et déversement), ilest possible d’imposer une répartition particulière des débits de sortie en choisissant pour l’une desdeux sorties une condition de vitesse (il s’agit de la conduite aval). La conduite de déversementrejette dans le milieu naturel, la condition de sortie est alors la pression atmosphérique.Conditions aux limites du milieu naturel :Dans le cas d’un ouvrage subissant l’impact du milieu naturel, il est nécessaire de créer unseuil dans la conduite de déversement. La hauteur de ce seuil, qui est variable, va permettre desimuler l’impact du niveau d’eau sur le déversement.La figure ci-dessous donne les conditions aux limites du site de la Robertsau :Marie Evrard 34

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESVitesse de sortieToit : pression atmosphériqueSortie déversée :pression atmosphériqueMilieu naturel :seuil : murVitesse d’entréeFigure 13: Localisation des conditions aux limites – déversoir de la Robertsau5.2.8 Conditions initialesLes conditions initiales représentent les caractéristiques du fluide en termes de vitesse et deposition de la surface libre lors du démarrage de la simulation. Si le calcul commence avec desvaleurs aléatoires ou quelconques, la simulation risque de diverger rapidement.Afin d’être le plus proche des résultats attendus et d’optimiser le temps de calcul, lacondition initiale de hauteur a été fixée à 80 cm, soit légèrement plus haute que la hauteur de crête.La vitesse du fluide est très complexe au sein du déversoir, il semble donc impossible de rentrer unevitesse initiale qui retranscrit la réalité. Cependant, une vitesse constante égale à la vitesse d’entréepeut permettre de démarrer correctement la simulation.5.2.9 Résultats des simulationsL’utilisation des 15 simulations réalisées permet de trouver la position optimale du ou descapteurs qui permettront d’aboutir à la loi de déversement. Les figures sur la page suivantereprésentent la surface libre des simulations 1, 8 et 15 :Marie Evrard 35

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESFigure 14: Surface libre obtenue pour la simulation 1 – déversoir de la RobertsauFigure 15: Surface libre obtenue pour la simulation 8 – déversoir de la RobertsauFigure 16: Surface libre obtenue pour la simulation 15 – déversoir de la RobertsauL’ensemble des simulations montre que l’écoulement dans le déversoir est complexe etfortement dépendant du milieu naturel (cf. annexe 7). De plus, lorsque le milieu naturel est élevé,cela crée un vortex qui entraine une forte variabilité de la position du point haut de la surface libre.Annexe 7 : Influence du milieu naturel sur la hauteur d’eau dans le déversoirPar conséquent, malgré la petite taille du déversoir, une instrumentation à 3 capteurs dehauteur d’eau est nécessaire. Le choix de leur localisation a été fait en recherchant des zones où lasurface libre était la plus plane possible et où les variations de hauteurs seraient les plusreprésentatives des déversements. Les positions suivantes sont recommandées :Marie Evrard 36

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESAmontCapteur 3Capteur centré dans laconduite déversée,dans le regard RV4453Capteur 1DéverséCapteur 2ConservéFigure 17: Emplacement des capteurs du déversoir de la Robertsau5.2.10 Loi de déversement et incertitude associéeInformation sur le déversement :Les trois capteurs utilisés permettent de maîtriser complètement l’information dudéversement. Effectivement, de cette manière, il est possible de savoir s’il y a déversement ou non,mais aussi de vérifier que le milieu naturel ne pénètre pas dans le réseau.Pour comparer les trois mesures entre elles, il est nécessaire de se baser sur un référentielcommun. Le schéma ci-dessous donne le profil en long de la conduite déversée et par conséquentsitue les mesures les unes par rapport aux autres :Avec h = hauteur d’eau àpartir du radierFigure 18: Profil en long de la conduite déversée du déversoir de la RobertsauPour affirmer que l’eau s’écoule du déversoir vers le milieu naturel, il est nécessaire decomparer la charge en chaque point de mesure en prenant la même référence. Comme l’écoulementMarie Evrard 37

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESest à surface libre, la pression relative est nulle, et dans le cas de ce déversoir, la vitesse estnégligeable face à la hauteur d’eau. Par conséquent, la charge est ici donnée par :H Attention : H est une charge et h est une hauteur d’eauZ fondh capteurDans le cas présent : H 1 = 0,093 + h 1 ; H 2 = -0,06 +h 2 ; H 3 = 0,446 + h 3L’organigramme ci-dessous indique les différents cas de déversement suivant lescomparaisons de charges :Figure 19: Organigramme des déversements du déversoir de la RobertsauLoi de déversement et incertitude :Les mesures de hauteur d’eau aux emplacements recommandés permettent de déterminerle débit déversé en utilisant une loi de déversement adéquate. Dans le cas de cette étude, ledéversement a lieu seulement pour H 1 > H seuil et H 2 < H 1 . La loi de déversement utilise seulementles mesures de h 1 et h 2 . La mesure de h 3 complète les informations sur le déversement en lui-même.3 a2a33 a6Loi de déversement obtenue (valable pour h > 60,7 cm) : Q dev a1 . h1 a2 4 a5.h23h hh111Tableau des coefficients :a(1)= 1351 h -1 a(4)= 7018 m 3 .h -1a(2)= -4612 m 4 .h -1 a(5)= -3584 h -1a(3)= 3207 m 5 .h -1 a(6)= -2360 m 6 .h -1Dans cette étude, trois types d’incertitudes sont rencontrés lors de la procédure quidétermine l’instrumentation en débit des déversoirs d’orage. Ces incertitudes se trouvent dans lebilan de masse lié aux calculs réalisés par ANSYS (cette erreur est appelée résidu), dans l’incertitudesur la mesure effectuée par le capteur et sur les conditions aux limites du modèle (influence dumilieu naturel).Marie Evrard 38

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESDétermination de l’incertitude globale sur l’estimation du débit déversé :La loi de déversement a été établie et le résidu du calcul d’ANSYS est connu. Afin dedéterminer l’erreur globalement commise, il faut pour chacune des simulations déterminer :‣ le débit déversé (de la simulation 3D) plus le résidu (Q 3D +∆Q 3D ),‣ le débit déversé (de la simulation 3D) moins le résidu (Q 3D -∆Q 3D ),‣ le débit déversé de la loi de déversement pour h+1cm (Q L (h+1cm)),‣ le débit déversé de la loi de déversement pour h-1cm (Q L (h-1cm)).1 cm correspond àl’incertitude de l’ultrason.Remarque : dans ce cas, deux capteurs sont utilisés, par conséquent les deux derniers points cidessussont à remplacer par 9 cas de figures possibles, car Q dev f h1 h1; h2 h2.Il est ensuite nécessaire de déterminer les débits maximum et minimum de la liste ci-dessus.Pour chaque simulation il est alors possible de déterminer :Erreur relative = incertitudeValeur minValeur max[Q L (h) -Q min ]/ Q L (h) [Q max - Q L (h)]/ Q L (h)Pour terminer, une courbe va permettre de représenter l’erreur globale commise surl’ensemble des débits déversés. Pour ce faire, une enveloppe représentant l’incertitude est tracée :elle relie les Q max de chacune des simulations pour la partie supérieure et les Q min pour la partieinférieure.Débit (m 3 /h)Figure 20: Incertitude sur la valeur du débit déversé – déversoir de la RobertsauPour les petits débits déversés l’incertitude est au maximum de 60%. Cette incertitudediminue à 20% pour les débits déversés les plus importants.Dans le cas de ce déversoir, il n’existe pas de loi dégradée, pour obtenir un volume déversé, ilest nécessaire que les capteurs 1 et 2 fonctionnent en même temps.Marie Evrard 39

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES5.3 Application : le déversoir 139 à IllkirchLe déversoir 139 de la commune d’Illkirch Graffenstaden est situé sur un collecteur principaldu réseau et déverse régulièrement lors des orages. Il a donc été décidé de l’instrumenter. De plus, lamodélisation du réseau d’assainissement réalisée à l’occasion du nouveau schéma directeurconfirmera la nécessité de l’instrumenter (cf. 6.).Le déversoir d’orage 139 d’Illkirch est localisé sur le plan ci-dessous :Figure 21: Plan de situation du déversoir 139 de la commune d’Illkirch5.3.1 Fonctionnement hydrauliqueLe déversoir 139 présente trois entrées. Une première (amont 1) circulaire de 1,76 m dediamètre avec une pente de 0,02%, une seconde (amont 2) ovoïde de petit axe d’un mètre et degrand axe 1,78m, de pente 0,06% et une dernière (amont 3) circulaire de 0,9 m de diamètre et de0,2% de pente qui vient se greffer sur la seconde (cf. figure 23).La sortie conservée est localisée en face de l’entrée 2 et est constituée d’une conduite ovoïdede même dimension que celle de l’entrée 2. Sa pente est de 0,11%. Le déversoir est caractérisé parune crête latérale de 1,51 m de hauteur et de 22 cm d’épaisseur. La longueur de crête est environ de5,40 m. La sortie déversée est constituée d’une conduite circulaire d’un diamètre de 1,4 m.Marie Evrard 40

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESLes photos suivantes montrent les caractéristiques de l’ouvrage :Figure 22: Photographie des conduites amont 2 et aval ainsi que la crête déversante du DO1395.3.2 Géométrie de la modélisation 3DLa géométrie du site a été reproduite dans Design Modeler. La figure ci-dessous montre lamanière dont le déversoir a été modélisé :Figure 23: Vue 3D du déversoir 139 de IllkirchMarie Evrard 41

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES5.3.3 MaillageUn maillage permettant des simulations les plus justes possible a été créé. La figure cidessousreprésente le maillage utilisé pour les calculs :Figure 24 : Maillage du déversoir 139Le maillage est constitué de 802 308 cellules de type CutCellMeshing. Les mailles ont étéaffinées dans les zones où de forts gradients des variables sont attendus : zone de la surface libre,zones de contact entre les canalisations et le regard. La taille d’une maille est comprise entre 2,5 et5 cm.5.3.4 Analyse des donnéesLes pentes des canalisations d’entrée et de sortie conservée sont hydrauliquement faibles.Loin des singularités, le régime d’écoulement sera donc fluvial, ce qui a été constaté lors de la visitede l’ouvrage en temps sec. Il est donc nécessaire d’entrée des conditions aux limites à l’amont et àl’aval. Ce sont des débits qui sont imposés aux limites de l’ouvrage.Aucune information n’est connue concernant les débits amont et aval. Par conséquent pourun même débit déversé plusieurs couples débit amont/ débit aval vont être étudiés. De cettemanière l’incertitude due aux conditions aux limites est prise en compte.Les débits de pleine section ont été calculés pour chaque canalisation. Une premièreinformation a été mise en évidence, la conduite déversée ne limite pas le déversement. La somme dudébit maximum pouvant transiter par chaque entrée fournit un débit total de 3,48 m 3 /s. Le débitmaximal à l’aval est de 1,628 m 3 /s. Une fois ces informations connues, il est possible de déterminerles simulations qui balayeront tous les cas de déversement possible.Remarque : La répartition du débit amont sur les trois entrées est donnée par les proportions desdébits de pleine section. Effectivement, il est constaté avec ces débits de pleine section queMarie Evrard 42

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESl’entrée 1 apporte 43% du flux total, l’entrée 2 apporte 34% et l’entrée 3 apporte 23%. Ces rapportssont conservés pour toutes les simulations.Le déversement a lieu directement dans le milieu naturel. Il est donc modélisé par unecondition limite de pression atmosphérique.Le toit du domaine de simulation est modélisé par une condition limite de pressionatmosphérique.Enfin, les parois sont modélisées par une condition limite de type mur avec prise en compted’une loi de paroi standard sur la vitesse.Le tableau ci-dessous représente les 16 simulations réalisées :Tableau 2: Simulations effectuées pour le déversoir 139simulationdébit amont(m 3 /s)débit aval(m 3 /s)débit déversé(m 3 /s)entrée 1(m 3 /s)entrée 2(m 3 /s)entrée 3(m 3 /s)1 0,43 0,200,18 0,15 0,102 0,64 0,41 0,27 0,22 0,150,233 1,04 0,81 0,44 0,36 0,244 1,43 1,20 0,61 0,49 0,335 0,66 0,200,28 0,23 0,156 0,87 0,41 0,37 0,30 0,200,467 1,27 0,81 0,54 0,44 0,298 1,66 1,20 0,71 0,57 0,389 1,13 0,200,48 0,39 0,2610 1,34 0,41 0,58 0,46 0,300,9311 1,74 0,81 0,74 0,60 0,4012 2,13 1,20 0,91 0,73 0,4913 2,05 0,200,88 0,70 0,4714 2,26 0,41 0,97 0,77 0,521,8515 2,66 0,81 1,14 0,91 0,6116 3,48 1,63 1,50 1,19 0,79Marie Evrard 43

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES5.3.5 Conditions aux limites et initialesLe principe de choix de conditions aux limites est le même que pour le déversoir précédent.La figure ci-dessous permet de situer l’emplacement des conditions aux limites :Vitesse de sortieToit : Pression atmosphériqueVitesse d’entrée 1Sortie déversée :Pression atmosphériqueVitesse d’entrée 3Vitesse d’entrée 2Figure 25: Localisation des conditions aux limites – déversoir 139Ce sont les informations recueillies dans l’analyse de données qui ont permis d’obtenir cesconditions aux limites et les différentes simulations.De la même manière que pour le déversoir précèdent, la hauteur initiale a été fixée à 1,6 m,soit juste au dessus de la crête déversante et la vitesse initiale avait pour valeur la vitesse d’entrée.Marie Evrard 44

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES5.3.6 Résultats des simulationsL’utilisation des 16 simulations réalisées permet de trouver la position optimale du ou descapteurs qui permettront d’aboutir à la loi de déversement. Les figures ci-dessous représentent lasurface libre des simulations 8 et 14 :Figure 26: Surface libre de la simulation 8 – déversoir 139Figure 27: Surface libre de la simulation 14 – déversoir 139Le déversoir d’orage 139 d’Illkirch est grand, une instrumentation à plusieurs capteurs estdonc souhaitable. Les simulations ont montré que la hauteur d’eau était quasi-constante dans ledéversoir lors des déversements. Par conséquent une instrumentation à deux capteurs est choisie.Ce n’est pas la complexité de l’ouvrage qui impose les deux capteurs mais plus un désir de sécuritédans la mesure. Le choix des localisations a été fait en recherchant des zones où la hauteur d’eauétait la plus plane possible lors des déversements.Marie Evrard 45

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESDe plus, pour optimiser l’emplacement des capteurs les endroits élus devaient avoir lespropriétés suivantes :‣ Pour deux débits déversés différents, la différence de hauteur mesurée doit être la plusgrande possible.‣ Pour un même débit déversé mais des couples (débit amont/ aval) différents, la différencede hauteur doit être la plus petite possible.L’emplacement de l’écoulement lors du temps sec a aussi été pris en compte afin d’obtenirdes informations même en dehors des évènements pluvieux. Les capteurs sont donc situés dans lesconduites principales de l’écoulement du temps sec.La figure ci-dessous indique les emplacements retenus pour les capteurs :Capteur 1Capteur 2Figure 28 : Vue de dessus du déversoir 139 - localisation des capteurs de hauteur d’eauLa loi de déversement obtenue en utilisant ces deux capteurs est alors :Q deva2 a ah2avech2 3 31. h1 a2.h1 a4.h2 a5.h1621a(1)= -4532 m.h -1 a(4)= 2630 m 2 .h -1a(2)= 2400 h -1 a(5)= -1821 m.h -1a(3)= 3498 m 4 .h -1 a(6)= 960 m 5 .h -1Dans cette loi les « h » représentent les hauteurs d’eau à partir du fond, elle est valableseulement lorsqu’il y a déversement, c'est-à-dire lorsque le capteur 2 donne des hauteurssupérieures à celle de la crête.Dans le cas de ce déversoir, l'incertitude globale de la loi hauteur-débit est calculée en tenantcompte de l’erreur commise lors de la modélisation 3D, sur l’incertitude des conditions aux limites etde la mesure de hauteur par le capteur.Marie Evrard 46

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESL’erreur globalement commise en appliquant cette loi de déversement est donnée ci-dessous :Débit (m 3 /h)Figure 29: Incertitude sur le débit déversé calculé pour le déversoir 139 d’IllkirchUne loi de déversement est donc donnée, l’erreur commise est de 20% pour les petits débitset 10% pour les plus gros débits. Il est possible d’obtenir des lois dégradées qui permettent uneestimation du débit déversé même si l’un des deux capteurs est en panne.Le tableau ci-dessous donne les lois de déversement à appliquer dans le cas d’une panne del’un des deux capteurs :Tableau 3: Loi de déversement en mode dégradée- déversoir 139Cas où le capteur 2 est horsservice et que le capteur 1fonctionneCas où le capteur 1 est horsservice et que le capteur 2fonctionneQ dev2 exp( a a . h a . ) valable pour h > h crête1 2 1 3h1a 1 = -53,236 a 2 = 66,652 m -1 a 3 = -18,218m -2Q dev a . h valable pour h > h crête151 a2h2 a3.a 1 = -146,525 m 3 .h -1 a 2 = 0,406 m -12 .h -1 a 3 = - 0,0004 m -22 .h -1252L’étude des courbes d’incertitudes des lois dégradées montre que lors de l’utilisation de loisdégradées l’erreur commise est encore de l’ordre de 20% pour les petits débits déversés et de 10%pour les gros débits. Cette constatation confirme que le deuxième capteur joue bien un rôle desécurité et n’a donc pas pour but d’améliorer la précision de la mesure.Annexe 8 : Courbes d’incertitudes pour les deux lois dégradées – DO 139Marie Evrard 47

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES5.4 Application : le déversoir du Bassin de l’IndustrieLe déversoir du Bassin de l’Industrie est localisé sur le plan de situation ci-dessous :Figure 30: Plan de situation du déversoir du Bassin de l'IndustrieIl se trouve à l’amont d’une station de pompage (notée SP 20 sur le plan) possédant un débitmaximum de 900 m 3 /h. Le point SP 19 est un bassin d’orage de très petite contenance. Il se vidangedans la station de pompage une fois l’évènement pluvieux terminé.Le déversoir du bassin de l’industrie ne déverse pas souvent, mais le déversement est trèsimportant lorsque le cas se produit. De plus, il a été noté par la télé gestion des stations de pompagequ’il arrive que la station de pompage ne fonctionne plus (surcharge hydraulique) lors desévènements pluvieux. Il est donc nécessaire de connaître avec précision l’impact sur le milieu naturelde l’arrêt des pompes.5.4.1 Fonctionnement hydrauliqueLe déversoir est caractérisé par une crête latérale variant de 1,73 à 1,77 m de hauteur et de22 cm d’épaisseur. La longueur de crête est environ de 8,20 m. La conduite amont est circulaire etpossède un diamètre de 1,6 m, sa pente est de 0,59%. La conduite aval est également circulaire etpossède un diamètre de 60 cm. Les deux conduites sont donc en charge lors des déversements. Laconduite de déversement est tout comme les deux autres, circulaire avec un diamètre de 1 m.Marie Evrard 48

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESLes photos suivantes montrent les caractéristiques de l’ouvrage :Figure 31: Photos du site: Bassin de l'Industrie5.4.2 Géométrie de la modélisation 3DLa géométrie du site a été reproduite dans Design Modeler. La figure ci-dessous montre lamanière dont le déversoir a été modélisé :Figure 32: Vue 3D du déversoir du Bassin de l'IndustrieMarie Evrard 49

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES5.4.3 MaillageUn maillage permettant des simulations les plus justes possible a été créé. La figure cidessousreprésente le maillage utilisé pour les calculs :Figure 33: Maillage du déversoir du Bassin de l'IndustrieLe maillage est constitué de 877 083 cellules de type CutCellMeshing. Les mailles ont étéaffinées dans les zones où de forts gradients des variables sont attendus : zone de la surface libre,zones de contact entre les canalisations et le regard. La taille d’une maille est comprise entre 5 et10 cm.5.4.4 Analyse des donnéesLa station de pompage située à l’aval du déversoir d’orage est normalement pleine lors desdéversements. Par conséquent, le débit aval au déversoir est limité par la puissance des pompes dela station. Lors d’un évènement pluvieux, le débit de la station est de 900 m 3 /h.Les débits de pleine section des canalisations amont et déversé ont été calculés. Le débitmaximum pouvant transiter dans la canalisation déversé est le débit limitant : il est de 3500 m 3 /halors que celui de la conduite amont est de 21 000 m 3 /h.Marie Evrard 50

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESLe tableau ci-dessous représente les 15 simulations réalisées :Tableau 4: Simulations effectuées pour le déversoir du Bassin de l'IndustrieSimulation Débit amont (m 3 /h) Débit aval (m 3 /h) Débit déversé (m 3 /h)1 11202 1340 4403 1775 9008754 2650 17505 4400 35006 2207 440 4408 875 08759 1750 175010 3500 3500Remarque : le cas où la station de pompage tombe en panne est étudié dans les simulations 6 à 10.5.4.5 Conditions aux limites et initialesLe principe de choix de conditions aux limites est le même que pour les déversoirsprécédents. La figure ci-dessous permet de situer l’emplacement des conditions aux limites :220220Figure 34: Localisation des conditions aux limites – déversoir du Bassin de l’industrieLes pentes des canalisations d’entrée et de sortie conservée sont hydrauliquement faibles.Loin des singularités, le régime d’écoulement sera donc fluvial, ce qui a été constaté lors de la visitede l’ouvrage en temps sec. L’entrée est donc caractérisée par un débit amont et la sortie par le débitde la station de pompage. Lors des déversements, le débit se répartit sur la totalité de la surface descanalisations puisque la hauteur de la crête du déversoir est supérieure aux diamètres descanalisations.Marie Evrard 51

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESLe déversement a lieu directement dans le milieu naturel. Il est donc modélisé par unecondition limite de pression atmosphérique.Le toit du domaine de simulation est modélisé par une condition limite de pressionatmosphérique.Enfin, les parois sont modélisées par une condition limite de type mur avec prise en compted’une loi de paroi standard sur la vitesse.Avec le même raisonnement que précédemment, la hauteur initiale a été fixée à 2 mètres etla vitesse prise égale à la vitesse d’entrée.5.4.6 Résultats des simulationsL’utilisation des 10 simulations réalisées permet de trouver la position optimale du ou descapteurs qui permettront d’aboutir à la loi de déversement. Les figures ci-dessous représentent lasurface libre des simulations 1 et 5 :Figure 35: Surface libre de la simulation 1 – déversoir du Bassin de l’IndustrieFigure 36: Surface libre de la simulation 5 – déversoir du Bassin de l’IndustrieL’ensemble des simulations montre que le niveau d’eau dans toute la chambre est plat. Cen’est donc pas la crête déversante qui contrôle le déversement mais la conduite déversée en ellemême.Marie Evrard 52

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESLa loi de déversement qui est proposée dans un premier temps ne pourra être appliquée quesi la conduite déversée n’a aucun impact sur le déversement.La taille de ce déversoir est grande : une instrumentation à plusieurs capteurs a donc étéenvisagée dans un premier temps. Cependant, la hauteur d’eau quasi-constante dans le déversoirlors des évènements pluvieux ainsi que les déversements peu fréquents ont finalement entrainé lechoix d’en positionner un seul. Le choix de sa localisation a été fait en recherchant une zone où lavariation de hauteur d’eau pour deux déversements différents est la plus grande. L’emplacement del’écoulement lors du temps sec a aussi été pris en compte afin d’obtenir des informations même endehors des évènements pluvieux. Le capteur est donc situé dans la conduite principale del’écoulement du temps sec et éloigné du pylône pour éviter l’influence du contournement dans lamesure.Figure 37: Vue de dessus du Bassin de l’Industrie - localisation du capteur de hauteur d'eauMarie Evrard 53

Sortie du déversoirChute dans une station de pompageMémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES5.4.7 Validations du comportement hydraulique du déversoirLors des déversements, la hauteur d’eau dans le déversoir est quasi constante. Cela impliqueque le déversement n’est pas contrôlé par la crête déversante mais par la conduite déversée. Uneanalyse de cette conduite s’avère donc nécessaire pour connaître son impact sur les déversements.La conduite déversée mesure environ 550 mètres. Elle possède d’abord une pente autour de1% sur une quinzaine de mètre puis passe à pente faible (moins de 0.1%) jusqu'à atteindre la fossed’une station de pompage. Le profil en long de cette conduite est donné ci-dessous :Conduite 1Conduite 2Figure 38: Profil en long de la conduite déversée du déversoir du Bassin de l'IndustrieLa faible pente de la deuxième partie de la canalisation permet de supposer que le régimed’écoulement dans la canalisation sera fluvial. Etant donné qu’au bout de la canalisation se trouveune chute (dans la station de pompage), la ligne d’eau passera en cet endroit par la hauteur critique.La première partie de la canalisation, qui est à pente forte, laisse supposer un écoulement torrentiel,qui est piloté par la hauteur d’eau dans le déversoir.Pour que le débit déversé ne soit pas impacté par la conduite en elle-même il faut que cerégime torrentiel s’établisse. Par conséquent l’influence du régime fluvial ne doit pas remonterjusqu'à l’intérieur du déversoir. Le passage torrentiel / fluvial entraîne la création d’un ressauthydraulique : il est donc nécessaire de localiser ce ressaut. Pour ce faire, il faut d’étudier la jonctiondes deux tronçons et donc analyser l’impact du changement de pente.La jonction forme un angle droit et possède une chute de 40 centimètres. Afin de connaîtreau mieux le comportement hydraulique de cette jonction il est décidé d’effectuer une modélisation3D des écoulements au sein de celle-ci.Marie Evrard 54

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESGéométrie de la jonction :La figure ci-dessous représente le regard où le changement de pente et de section a lieu :Pente faiblePente forteSortie dudéversoirEcoulement vers SPListe des simulations :Figure 39: Géométrie de la jonction pente forte/ pente faible – Bassin de l’IndustrieL’impact de la conduite déversée est étudié sur une large plage de vitesse. Par conséquent,les simulations réalisées couvraient des débits allant de 0.05 à 0.8 m 3 /s. Le tableau ci-dessous fournitles simulations qui ont été réalisées en précisant les hauteurs critiques des conduites en fonction dudébit :Tableau 5: Simulations de la canalisation déversée du déversoir du Bassin de l'IndustrieSimulationDébit amont (m 3 /s)Hauteur critique (en m)– conduite 1 – pente de1.13%Hauteur critique (en m)– conduite 2 – pente de0.07%1_cana 0.05 0.13 0.1592_cana 0.1 0.185 0.2283_cana 0.2 0.264 0.3264_cana 0.4 0.379 0.4645_cana 0.8 0.545 0.658Les figures ci-dessous représentent la surface libre des simulations 1_cana et 4_cana :Figure 40: Surface libre de la simulation 1_cana – Bassin de l’industrieMarie Evrard 55

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESFigure 41: Surface libre de la simulation 4_cana – Bassin de l’IndustrieLes simulations ont permis de déterminer l’influence de la chute à la jonction. Une fois lahauteur connue au début de la canalisation numéro 2, il est possible, grâce au logiciel HSL (logicieldéveloppé en interne par l’équipe Hydraulique Urbaine de l’IMFS), de localiser le ressaut hydrauliqueéventuel. La condition aux limites amont entrée dans HSL est la hauteur obtenue par la simulation 3Det la condition aval est la hauteur critique, puisque nous sommes en présence d’une chute.Le tableau suivant indique les conditions aux limites appliquées à la conduite 2 lors del’utilisation de HSL :Tableau 6: Conditions aux limites de la conduite 2 (déversoir du Bassin de l’Industrie)SimulationDébit amont (m 3 /s)Hauteur amont (en m) –obtenu avec simulationsHauteur aval (en m) –hauteur critique1_cana 0.05 0.125 0.1592_cana 0.10 0.225 0.2283_cana 0.20 0.269 0.3264_cana 0.40 0.374 0.4645_cana 0.80 0.528 0.658Pour chacune des cinq simulations le résultat est le même : le logiciel indique qu’il n’y a pasde ressaut hydraulique dans la canalisation 2.Marie Evrard 56

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESLa figure ci-dessous montre l’exemple de la simulation 2 :Figure 42: Courbe de remous dans la conduite 2 pour Q=0.2 m 3 /sCes résultats indiquent que deux cas peuvent se produire :‣ La hauteur atteinte à l’amont de la conduite 2 (égale en général à la hauteur normale decette conduite) est inférieure à la hauteur critique de la conduite 1 et dans ce cas, il y a un ressauthydraulique « plaqué » contre la chute. Les trois premières simulations sont dans ce cas. Parconséquent, pour les débits allant jusqu'à 0.2 m 3 /s, il est certain qu’il n’y a pas d’influence aval due àla canalisation déversée.‣ La hauteur atteinte à l’amont de la conduite 2 est supérieure à la hauteur critique de laconduite 1 et dans ce cas il faut vérifier que le ressaut hydraulique a bien lieu dans la conduite 1.Le graphique ci-dessous donne la courbe de remous dans la conduite 1 pour un débitdéversé de 0.5 m 3 /s :Figure 43: Courbe de remous dans la conduite 1 pour Q=0.5 m 3 /sMarie Evrard 57

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESLe graphique suivant donne la courbe de remous dans la conduite 1 pour un débit déversé de0.8 m 3 /s :Figure 44: Courbe de remous dans la conduite 1 pour Q=0.8 m 3 /sPour un débit de 0.5 m 3 /s, il y a bien un ressaut hydraulique dans la conduite. Parconséquent, il n’y a pas d’influence aval. Dans le second cas, le régime fluvial de la conduite avalcontinue dans la conduite 1 et possède donc une influence sur le déversement. Une étude a permisde montrer que le ressaut hydraulique se produisait jusqu'à un débit de 0.67 m 3 /s. Donc jusqu’à cedébit, la loi donnée précédemment est applicable.Pour déterminer une seconde loi qui permettra de déterminer les débits déversés les plusimportants, il est nécessaire de réaliser trois nouvelles simulations avec Fluent :Tableau 7: Simulations supplémentaires pour le déversoir du Bassin de l'IndustrieSimulation Débit amont (m 3 /s) Débit aval (m 3 /s) Débit déversé (m 3 /s)h liée à l’influenceaval (m)11 0,95 0,25 0,70 0.68712 1,05 0,25 0,80 0.95913 1,15 0,25 0,90 1.265Après plusieurs tests, il a été mis en évidence qu’il est possible d’obtenir une loi dedéversement qui est valable sur toute la plage de débits déversés.Pour obtenir cette loi, les simulations qui sont utilisées sont :‣ les simulations 1, 2, 3, 6, 7, 8 et 9 de la première vague de simulations,‣ les simulations 11, 12 et 13 lors qu’il y a un impact de la conduite déversée.5.4.8 Loi de déversement finale et incertitude sur le débitLe graphique ci-après donne la représentation de la loi de déversement obtenue :Marie Evrard 58

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESInfluence de laconduite conservéeZone de transitionPas d’influence de laconduite conservéeFigure 45: Loi de déversement du déversoir Bassin de l'IndustrieLa loi de déversement est donnée ci-dessous :Q dev899,19 1417,1 225,97 2ln( h)(ln( h))1101,65 422,33 34(ln( h))(ln( h))63,93(ln( h))5L’incertitude sur le débit déversé est donnée ci-dessous (valable pour h supérieur à h crête ) :Figure 46: Incertitude commise sur la loi de déversement du Bassin de l'IndustrieMarie Evrard 59

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES5.5 Application : le déversoir 50En 2005, le déversoir a été étudié de la même manière que les ouvrages présentésprécédemment : la modélisation 3D du site a été réalisée. Cependant, la complexité de l’ouvrage n’apas permis d’aboutir à une instrumentation pertinente et donc à une loi de déversement acceptable.[10]L’instrumentation de la partie déversante pourrait être une solution pour ce déversoir.5.5.1 Principe de l’instrumentationL’objectif de l’instrumentation est la mesure du débit déversé.L’instrumentation la plus pertinente consiste à mettre en place un capteur de vitesse et dehauteur d’eau afin de mesurer le débit. Cependant, pour le DO 50, la canalisation de décharge esttrop courte pour que puisse se développer le champ de vitesse et ainsi pouvoir mesurer une vitessemoyenne avec un capteur de type Doppler. De plus, il y a des retours du milieu naturel dans laconduite déversée, ce qui rend les mesures par Doppler difficiles.Le deuxième instrument de mesure classiquement utilisé est le seuil. Il permet, grâce à lamesure de la hauteur d’eau à l’amont, d’avoir le débit. Mais la quantité des matières en suspensiondéversée étant élevée, l’apparition et l’accumulation de dépôt en amont du seuil est inévitable. Il adonc été décidé d’installer un seuil/vanne (cf. figure 50), c’est à dire un seuil tronqué au voisinage duradier, limitant ainsi le risque de dépôt.Le schéma suivant présente l’emplacement de la vanne/seuil dans le DO 50.Entrée ovoïde1600/1300MuretEntréecirculaireDN 1600MuretSortiecirculaireDN 2000Zone dedéversementSeuilUltrasonsVanne de fondFigure 47: Emplacement de la vanne/ seuil sur le déversoir 50Un capteur d’eau à l’amont va permettre de calculer le débit et un second à l’aval vapermettre de corriger la loi en prenant en compte l’influence du milieu naturel. La loi dedéversement conjugue donc une loi de seuil et une loi de vanne :Qdéverséfseuil( hamont,haval) fvanne(hamont,haval)Marie Evrard 60

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEES5.5.2 Validation de la méthodeCette méthode a été validée en deux étapes par l’équipe Hydraulique Urbaine de l’IMFS. Lavalidation a eu lieu de manière expérimentale sur un canal, puis par le calcul en utilisant ANSYS.Le canal à surface libre de l’INSA de Strasbourg a permis de tester un seuil similaire à celui quia été installé au DO 50 mais aux dimensions adaptées à l’expérience.La figure suivante montre l’installation :Seuil-vanne dont on veutétablir la loihauteur = f(Q déversé )Seuil modélisantles conditions avalh avalh amont40 cm15 cm3 cm5 mm7.5 cmmm86 cm 1,5 cmSeuil-vanneCanalFigure 48: Dispositif expérimental pour tester la vanne/ seuilUne série de mesures faisant varier le débit et les conditions aval a été menée. La mise enplace d’un seuil à l’aval a permis la prise en compte de l’influence aval possible du milieu naturel.Pour valider l’expérience, le canal a aussi été modélisé avec ANSYS.La comparaison entre les résultats obtenus avec Fluent, les mesures expérimentales et la loiseuil/vanne (formules « classiques ») sans influence aval est bonne. L’erreur obtenue entre lathéorie, l’expérimental et le calcul est de moins de 5% lorsqu’il n’y a pas d’influence aval et de 10%avec influence aval.Remarque : la validation vient d’être réalisée dans le cas d’un canal rectiligne. Hors la chambre dedéversement du DO50 est coudée. L’utilisation du modèle créé par Audrey Pineau lors de la premièreétude en ajoutant la vanne/seuil installée par la CUS a permis de valider la loi dans la situation dudéversoir.Marie Evrard 61

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESSur la figure suivante, les écoulements spécifiques du seuil et de la vanne sont clairementreprésentés, ce qui encourage à penser que la loi de déversement est bien une conjugaison de la loiseuil et de la loi vanne.Emplacementvanne/ seuilFigure 49: Déversement de la vanne/ seuil modélisé avec ANSYS5.5.3 Loi de déversement du DO 50La vanne/ seuil a été réalisée par les services techniques de la CUS. La figure suivante montrecet ouvrage en place :Figure 50: Photographies de la vanne/ seuil du DO 50Les mesures des hauteurs amont et aval sont réalisées grâce à deux ultrasons. La vanne et leseuil possèdent des fonctionnements noyés ou dénoyés suivant la hauteur d’eau du milieu naturel.C’est pourquoi, il est nécessaire de différencier les cas suivant le type de déversement.L’ouvrage installé peut se trouver dans huit situations différentes. Pour six d’entre elles, il y aun déversement. L’organigramme exprime les conditions qui ont été entrées dans le logiciel EVE’mpour établir les déversements, puis les formules utilisées sont données par la suite.Marie Evrard 62

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESQ dev < 0Figure 51: Organigramme paramétrage du débit déversé du DO 50Marie Evrard 63

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESDétermination des équations :La première étape consiste à comparer h amont et h aval : si h aval > h amont alors Q déversé < 0 m 3 /sEnsuite, si h aval < h amont alors plusieurs cas sont à étudier.La deuxième comparaison a lieu entre h aval , h seuil et a qui est l’ouverture de la vanne :‣ Cas 1 : h aval < a ‣ Cas 2 : a < h aval < h seuil ‣ Cas 3 : h aval > h seuilLe paragraphe ci dessous présente chacun des trois cas cités précédemment :Cas 1 : h aval < a : ce cas possède trois situations :‣ Si h amont < a alors (0) Q déversé est très faible, il est fixé pour la télégestion à 0 m 3 /s‣ Si a < h amont < h seuil alors la vanne a un fonctionnement dénoyé et (1)Q 0,6. B.a.2. g.déverséh amont‣ Si h amont > h seuil alors la vanne et le seuil ont des fonctionnements dénoyés et (2)Qdéversé 0,6. B.a.h0,4023 0,0542.2. g.hamontamont hhseuilseuil 0,0011 .B.2. g.3h h 0,0011 2amontseuilCas 2 : a < h aval < h seuil : ce cas possède deux situations :‣ Si h amont < h seuil alors la vanne a un fonctionnement noyé et (3)Qdéversé 0,67. B.a.2. g.3.h‣ Si h amont > h seuil alors la vanne a un fonctionnement noyé et le seuil un fonctionnementdénoyé et (4)Qdéversé 0,67. B.a.h0,4023 0,0542.2. g.3.hamont hamontseuilhseuil haval 0,0011 .B.Cas 3 : h aval > h seuil : ce cas possède deux situations :amont2. g. haval3h h 0,0011 2haval hseuil‣ Si 0, 9 alors la vanne et le seuil ont des fonctionnements noyés et (5)h hQdéverséamontseuil 0,67. B.a.h0,4023 0,0542.2. g.3.hamont hamontseuilhseuil haval 0,0011 h.1 h avalamont h hseuilseuilamont1,50,385seuil. B.2. g.3h h 2amontseuilMarie Evrard 64

Débit déversé (m3/s)Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEEShaval hseuil‣ Si 0, 9 alors la vanne a un fonctionnement noyé et le seuil un comportementh hamontseuilfortement noyé et (6)Qdéverséh h 0,65. B.(h h ). 2. g h h 0,67. B.a.2. g.3..amontRemarque : les équations de base utilisées sont les suivantes :Tableau 8: Equations de seuil et de vanne utiliséesavalavalseuilamontavalSeuil dénoyé :Seuil noyé pourhaval hseuil 0, 9 :h hamontseuilSeuil noyé pourhaval hseuil 0, 9 :h hamontVanne noyée et dénoyée :seuilexpression du débit d’après Rehbock pour un déversoirrectangulaire sans contraction latérale (1929) [2]expression du débit d’après Rehbock pour un déversoirrectangulaire sans contraction latérale, avec expression ducoefficient de noyage d’après Brater et King (1976) [2]expression du débit d’après RAJARATNAM et MURALIDHAR(1969) [2]Expression du débit obtenue dans la notice d’utilisation deHEC-RAS [6]5.5.4 Exemple d’utilisation de la télégestionLes deux ultrasons du DO 50 sont installés sur le site depuis déjà quelques temps. Une fois laloi de déversement établie, il a donc été possible de paramétrer le logiciel de télégestion EVE’m etd’obtenir les déversements du déversoir.L’étude des courbes de déversement a montré un comportement anormal. Lors de chaquedéversement, le volume déversé augmente d’abord puis diminue et subit à chaque fois unedeuxième augmentation avant de diminuer de nouveau.0,60,50,4Début de la vidange dubassin d’Hochfelden0,30,20,1003/07/201021:3603/07/201022:4804/07/201000:0004/07/201001:1204/07/201002:2404/07/201003:3604/07/201004:4804/07/201006:0004/07/201007:12TempsFigure 52: Déversement du DO 50, les 3 et 4 juillet 2010A l’amont de ce déversoir, un bassin de rétention est présent. Il permet de stocker l’eau quiinonderait la chaussée en son absence. Il a été noté que les pompes qui vidangent ce bassin sedéclenchent seulement quelques minutes avant l’augmentation du débit dans le déversoir.Marie Evrard 65

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESL’autosurveillance du déversoir 50 a donc mis en évidence une mauvaise optimisation de lavidange du bassin de rétention. Le pompage intervient trop rapidement après l’orage, le réseau n’estpas encore prêt à accepter des quantités d’eau supplémentaires.Cependant, il n’est pas possible de trop retarder le pompage, puisque si un second oragearrive juste après le premier, le bassin sera encore plein et la route sera inondée. La surveillance dudéversoir d’orage va donc permettre d’optimiser le déclenchement des pompes du bassin, l’objectifétant de préserver la route des inondations et de rejeter le moins d’eau possible au milieu naturel.Il vient d’être montré que pour quatre déversoirs d’orage, l’utilisation de la modélisation 3Dpermettait d’aboutir à l’instrumentation de la lame d’eau des ouvrages. L’utilisation de seulementquelques mesures de hauteurs d’eau (entre une et trois) permet d’aboutir à une loi mathématiquequi donne le débit déversé. De plus, l’erreur commise lors de l’utilisation de ce calcul est estimée.Il va maintenant être nécessaire d’étendre cette méthode à l’ensemble des déversoirs de laCommunauté Urbaine de Strasbourg qui seront à instrumenter.6 PerspectivesEn mars 2011, les résultats de la modélisation de l’ensemble du réseau d’assainissement ontété obtenus à l’occasion du nouveau schéma directeur de la Communauté Urbaine de Strasbourg.Ces résultats ont permis une grande avancée en termes d’autosurveillance des déversoirs d’oragepuisqu’il a été possible de hiérarchiser ces derniers en termes de volumes déversés.Pour rappel, l’arrêté préfectoral autorisant l’exploitation du système de collecte etd’épuration demande à ce que la Communauté Urbaine de Strasbourg instrumente les déversoirsd’orage représentant 70% du volume total rejeté au milieu naturel.Au 1 er mai 2011, 35 déversoirs d’orage sur les 318 de la CUS sont répertoriés commereprésentant 70% du déversement et seraient à instrumenter.Annexe 9 : liste des déversoirs d’orage à instrumenter avec leurs caractéristiquesPour organiser les prochaines actions à mener, il a été nécessaire de réaliser un programmede réalisation, avec un échéancier et une estimation des coûts correspondants. De plus, desdemandes de subventions ont été formulées auprès de l’Agence de l’Eau Rhin Meuse.6.1 Programme de mise en place de l’autosurveillanceAu 1 er mai 2011, 19 des déversoirs d’orage représentant 70% du volume total rejetédéversent dans des milieux pouvant supporter la pollution apportée. Ces 19 déversoirs d’orage nedéclassent donc pas leur milieu récepteur et peuvent être instrumentés dans une première phase.Marie Evrard 66

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESEn ce qui concerne les autres déversoirs d’orage, le schéma directeur prévoit des travaux surles ouvrages de déversement qui déclassent le milieu naturel. Ces travaux vont impacter lahiérarchisation, le nombre et la liste des déversoirs d’orage à instrumenter pour atteindre ces 70%.C’est pourquoi, il a été nécessaire d’anticiper les déversoirs qui pourraient être concernés parl’instrumentation une fois les travaux du schéma directeur terminés. Les déversoirs d’orage retenussont :‣ Les 35 déversoirs d’orage représentant les 70% du volume rejeté au milieu naturel‣ Ainsi que 15 déversoirs d’orage qui représentent les rejets entre 70 et 80%‣ Et 3 déversoirs d’orage qui représentent les rejets dans l’Ill situés entre 80 et 85%Le raisonnement ci-dessus entraîne 53 déversoirs qui seront potentiellement à équiper.Parmi ces déversoirs, les 19 qui ne déclassent pas leur milieu et qui appartiennent dès àprésent au 70% seront instrumentés de manière certaine. La majorité des 34 autres déversoirs seraaussi instrumentée par la suite. Cependant, si le nouveau schéma directeur entraîne la fermeture decertaines têtes déversantes ou réoriente certains flux de sorte à ce que des ouvrages ne déversentplus, alors les déversoirs concernés seront exclus de la liste.En procédant de cette manière, environ 45 déversoirs devraient être instrumentés. Cesderniers permettront de répondre aux exigences de la réglementation et d’avoir une meilleureconnaissance des rejets sur l’ensemble du réseau de la CUS.6.2 Subvention de l’agence de l’eau Rhin Meuse et notions importantesFinalement, pour réaliser un échéancier des travaux à réaliser, il a été nécessaire dedécouper le territoire de la CUS en différents secteurs. Le paramètre pris en compte est le milieunaturel qui reçoit les déversements. De cette manière, il est dénombré 20 milieux récepteurspossédants entre 1 et 10 déversoirs à instrumenter. Les secteurs où le milieu récepteur n’est pasdéclassé seront les premiers à être instrumentés.Une demande de subvention a été adressée à l’Agence de l’Eau Rhin Meuse pour obtenir uneaide financière par secteurs d’étude.De plus, il a été nécessaire de penser à deux notions importantes pour l’autosurveillance : lescapteurs et la télégestion. Afin de définir aux mieux les critères désirés pour le parcd’instrumentation, les différents fournisseurs de capteurs ont été rencontrés. Il sera de cettemanière possible d’émettre un appel d’offre le plus précis possible quant à la fourniture descapteurs. Le point le plus important retenu est le désir d’avoir des capteurs autonomes en énergie,afin de s’affranchir de l’installation d’armoires électriques. De plus, il a été nécessaire d’estimer lenombre de sites qui seront équipés dans une dizaine d’années pour pouvoir prévoir un espace destockage suffisant dans le système de télégestion et obtenir une licence d’exploitation mieuxadaptée aux besoins de la CUS.Remarque : une nouvelle convention de collaboration entre la CUS et l’ENGEES va être mise en placepour encadrer au mieux les besoins de chacun en termes d’autosurveillance.Marie Evrard 67

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESConclusionLa réglementation actuelle impose la surveillance des rejets des déversoirs d’orage. LaCommunauté Urbaine de Strasbourg a choisi de tirer profit de cette obligation, c'est-à-dire, en plusde répondre à la loi, elle voit en cette démarche une réelle opportunité de mieux connaître sonréseau d’assainissement.C’est dans cet état d’esprit qu’un bilan de la performance de l’instrumentation déjà en placesur le réseau a été réalisé et que l’instrumentation de nouveaux sites a été pensée.La métrologie des neuf premiers déversoirs équipés par la Communauté Urbaine deStrasbourg est composée de piézomètres et de Dopplers. L’étude a montré que pour plus de lamoitié des sites, l’instrumentation est performante. Les résultats des autres sites ne sont pasexploitables, en général à cause du mauvais fonctionnement des Dopplers lié à des vitessesd’écoulement trop faibles ou à la présence trop importante de dépôt.Cependant, grâce à un entretien régulier des capteurs, la CUS va être en mesure detransmettre des bilans d’autosurveillance de qualité pour au moins 5 sites.Il a ensuite été montré que pour l’instrumentation de nouveaux déversoirs, il serait plusjudicieux, en terme de fiabilité, d’entretien et de coût, d’utiliser une méthode d’instrumentationdifférente. Il s’agit de la mesure de lame déversante, en utilisant seulement des mesures de hauteurpar ultrasons placés en dehors de l’effluent. Cette méthodologie nécessite une étude antérieure à lapause des capteurs plus longue mais possède de nombreux avantages en termes d’exploitation.La détermination de l’instrumentation de quatre nouveaux sites a pu être réalisée.L’utilisation de la modélisation 3D est nécessaire pour obtenir une instrumentation de qualité.Effectivement, cette dernière permet de connaître avec certitude le comportement hydraulique dudéversoir d’orage. Il a été mis en évidence que, pour obtenir un modèle performant d’écoulement ausein d’un déversoir d’orage, il suffit de connaître la géométrie de l’ouvrage, ses conditions aux limiteset le modèle de turbulence. Les simulations permettent d’obtenir la surface libre, les lignes decourant et les champs de vitesse au sein des déversoirs. Il est ainsi possible pour chaque déversoir detrouver une loi de déversement : le débit déversé en fonction de la ou des hauteurs mesurées etd’estimer avec quelle incertitude ce débit déversé est calculé.Finalement, le bilan du fonctionnement de l’ancienne instrumentation étant fait et uneméthodologie d’instrumentation répondant aux besoins de la CUS étant déterminée, il vamaintenant être possible de se concentrer sur l’autosurveillance d’une quarantaine de sites quipermettront de répondre aux exigences de la législation.Marie Evrard 68

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESBibliographie[1] ANSYS - GAMBIT/FLUENT to ANSYS 12 Workbench Transition Course – 2009 – 403p.[2] Centre d'Etudes Techniques Maritimes Et Fluviales (CETMEF) - Notice sur les déversoirs –Synthèse des lois d’écoulement au droit des seuils et déversoirs – Février 2005 – 89p[3] Communauté Urbaine de Strasbourg – La CUS en chiffres – 2007 – 34p.[4] Communauté Urbaine de Strasbourg – Rapport annuel sur la qualité et le prix des servicespublics de l’eau et de l’assainissement – 2009 – 79p.[5] GALLIN Yann - Mise au point d’un nouveau mode d’instrumentation des déversoirs d’orage:application au site de Sélestat - Mémoire de fin d’étude, Ecole Nationale du Génie de l’Eau et del’Environnement de Strasbourg (ENGEES) – 2003 – 61p.[6] HEC-RAS (River Analysis Système) – Hydraulic Reference Manual – Version 4.1 – janvier 2010 –417p.[7] LENCASTRE Armando – Hydraulique générale – EYROLLES – 2002 – 640p.[8] LIPEME KOUYI Gislain - Expérimentations et modélisations 3D de l’hydrodynamique et de laséparation particulaire des déversoirs d’orage - Rapport de thèse, ENGEES – 2004 - 261 p.[9] LIPEME KOUYI Gislain, VAZQUEZ José, POULET Jean-Bernard – Méthodologie d’utilisation de lamodélisation 3D des déversoirs d’orage dans le cadre de l’autosurveillance – La Houille Blanche –N° 6 – 2005 – 9p.[10] PINEAU-AKAZI Audrey – Validation de données et instrumentation d’un déversoir d’orage àl’aide de la modélisation 3D dans le cadre de l’autosurveillance – Mémoire de fin d’étude, EcoleNationale du Génie de l’Eau et de l’Environnement de Strasbourg (ENGEES) – 2005 – 63p.[11] ROLLET Didier – Instrumentation des déversoirs d’orage: mise en place de l’auto surveillance àSélestat – Mémoire de fin d’études, ENGEES Strasbourg – 2002 – 66p.[12] SIMMONIN Yannick - Mise au point d’une méthodologie d’utilisation de la modélisationtridimensionnelle des déversoirs d’orages dans le cadre de l’autosurveillance- Mémoire de find’étude, ENGEES – 2004 – 75p.[13] J. VAZQUEZ, M. ZUG, L. PHAN, C. ZOBRIST – Guide technique sur le fonctionnement hydrauliquedes déversoirs d’orage - Guide FNDAE – juillet 2006 – 184p. + 94p. d’annexes[14] VAZQUEZ José – Hydraulique à surface libre – Cours de l’ENGEES, formation Mastère-Initiale -2002 – 96p.[15] Texte règlementaire:Arrêté du 22 juin 2007 relatif à la collecte, au transport et au traitement des eaux usées desagglomérations d’assainissement ainsi qu’à la surveillance de leur fonctionnement et de leurefficacité et aux dispositifs d’assainissement non collectif recevant une charge brute de pollutionorganique supérieure à 1,2 kg/j de DBO5.Marie Evrard 69

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESAnnexesAnnexe 1 : Plan de la Communauté Urbaine de StrasbourgMarie Evrard 70

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESAnnexe 2 : Organigramme du service assainissementMarie Evrard 71

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESAnnexe 3 : Organisation de la télégestion des déversoirs d’orageMarie Evrard 72

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESAnnexe 4 : Plan de situation des cinq déversoirs d’orage instrumentés à l’amont et à l’avalde l’ouvrage de déversementDO 4 : Quai au sable :AmontAvalDO 4DéverséDO 46 : Dusuzeau :AvalDéverséDO 46AmontAmontDO 302: Abbe Lemire :DéverséAvalDO 302AmontMarie Evrard 73

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESDO 304: Wacken :DéverséAvalDO 304AmontDO 315: Montagne verte :AvalDéverséDO 315AmontMarie Evrard 74

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESAnnexe 5 : Note technique sur les courbes de remousCanal à pente faible (I < I c ; h n > h c ) :‣ Branche M 1 : h > h n : Il s’agit d’un écoulement fluvial dans un canal à pente faible. La courbeest concave et ascendante. En amont, elle tend asymptotiquement vers la profondeur durégime uniforme. En aval, elle tend asymptotiquement vers l’horizontale.‣ Branche M 2 : h c < h h c : Il s’agit d’un écoulement fluvial dans un canal à pente forte. La courbe estconvexe et ascendante. Vers l’amont, elle nait perpendiculairement au niveau critique,ordinairement après un ressaut ; en aval, elle tend asymptotiquement vers l’horizontale.‣ Branche S 2 : h n < h

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESAnnexe 6 : Plan de situation des quatre déversoirs d’orage instrumentés dans la conduitedéversée de l’ouvrage de déversementDO 94, 95-1 et 95-2 : Schiltigheim :Amont-94DO 94Déversé- 94Aval-94Amont-95DO 95Aval-95Déversé- 95DO 97 et 99 : Hoenheim :Amont -99 Amont -97Aval -97DO 97DO 99Déversé -97Déversé -99Aval -99Marie Evrard 76

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESDO 136 et 177 : Illkirch :Déversé -136Déversé -177DO 136Aval -177DO 177Amont -177Aval -136Amont-136DO 337 : Robertsau :DéverséAmontDO 337AvalMarie Evrard 77

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESAnnexe 7 : Influence du milieu naturel sur la hauteur d’eau dans le déversoirSeules les simulations 5 à 8 sont illustrées dans cet exemple. Elles correspondent à un débit déverséde 1000 m 3 /h, pour quatre hauteurs de milieu naturel différentes. Pour tous les débits déversés, letype d’influence du milieu naturel reste le même.Simulation n°Surface libre5678Marie Evrard 78

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESAnnexe 8 : Courbes d’incertitudes pour les deux lois dégradées – DO 139Cas où le capteur 2 est hors service et que le capteur 1 fonctionne :Débit (m 3 /h)Cas où le capteur 1 est hors service et que le capteur 2 fonctionne :Débit (m 3 /h)Marie Evrard 79

Mémoire de fin d’étudeCUS - ENGEESAnnexe 9 : Liste des déversoirs d’orage à instrumenter avec leurs caractéristiquesDéversoir d'orage Commune Nom Cours d'EauVolume Total déversé Pourcentage Déclassement du milieupériode sensible (m 3 ) cumulénaturelDO304 Strasbourg Ill intermédiaire 442070,028 12,6% nonDO54 Strasbourg Rhin tortu 256413,48 19,9% nonDO261 Mundolsheim Souffel 151999,968 24,2% ouiDO158, DO140 Illkirch-Graffenstaden Ill amont 129410,571 27,9% nonDO23 Strasbourg Ill intermédiaire 126335,376 31,5% nonDO136, DO177 Illkirch-Graffenstaden Ill amont 100297,566 34,3% nonDO94 Schiltigheim Ill intermédiaire 72506,226 36,4% nonDO295 Geispolsheim Ehn 71727,132 38,4% ouiDO139, DO360 Illkirch-Graffenstaden Ill amont 70022,19 40,4% nonDO179 Vendenheim Neubachel 69932,526 42,4% ouiDO 48 Strasbourg Fossé des Remparts 67501,305 44,3% ouiDO308 Strasbourg Ill amont 66506,886 46,2% nonDO240, DO233, DO242 Reichstett Riedgraben 64735,026 48,0% ouiDO153 Souffelweyersheim Souffel 64033,914 49,9% ouiDO258 Mundolsheim Souffel 62873,166 51,6% ouiDO95 Schiltigheim Ill intermédiaire 60325,581 53,4% nonDO144, DO297 Illkirch-Graffenstaden Ill amont 60091,59 55,1% nonDO203 Lampertheim Souffel 55557,33 56,6% ouiDO266 Fegersheim Andlau 50457,963 58,1% ouiDO296 Strasbourg Steingiessen 47430,48 59,4% nonDO196 Plobsheim Altrhein 47143,254 60,8% nonDO72 Eckbolsheim Bruche 46504,461 62,1% ouiDO337 Strasbourg Muehlwasser 45092,682 63,4% ouiDO60 Oberschaeffolsheim Muehlbach 41277,897 64,5% ouiDO284 La Wantzenau Ill aval 40141,401 65,7% nonDO311 Strasbourg Fossé des Remparts 40002,705 66,8% ouiDO87 Schiltigheim Ill intermédiaire 39369,375 67,9% nonDO265 Fegersheim Andlau 38323,083 69,0% ouiDO333 Strasbourg Ill intermédiaire 36171,402 70,1% nonMarie Evrard 80