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Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)RemerciementsJe tiens à adresser mes remerciements aux personnes suivantes :• M. Hugues REYMOND, mon maître de stage, pour m’avoir confié ce stage etaccueilli à la Communauté de l’Agglomération Belfortaine.• M. Bernard VERNIER pour sa disponibilité et pour m’avoir fait part de sonexpérience du terrain.• M. Philippe GUERQUIN-KERN pour sa bonne humeur, son aide sur le terrain (etailleurs) et m’avoir supporté presque six mois dans son bureau.• L’ensemble du personnel du service Salubrité et Cadre de Vie de la Communauté del’Agglomération Belfortaine, et particulièrement Ms. Julien GREMERET, EricCHEVILLOT et Madame Christiane LOCATELLI pour l’agréable ambiance detravail.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 1

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)SommaireRemerciements ......................................................................................................................... 1Résumé ...................................................................................................................................... 2Abstract ..................................................................................................................................... 2Sommaire .................................................................................................................................. 3Liste des tableaux ..................................................................................................................... 4Liste des équations ................................................................................................................... 4Liste des figures ........................................................................................................................ 5Liste des sigles, abréviations et notations............................................................................... 6Glossaire.................................................................................................................................... 6Introduction .............................................................................................................................. 7Partie 1 : Cadre Législatif et Technique ................................................................................ 91. Cadre Législatif .................................................................................................................. 92. Cadre technique................................................................................................................ 102.1. Mesures de débits, état de l’art.................................................................................. 102.2. Mesures de la pollution, état de l’art......................................................................... 213. Traitement et acquisition des données ............................................................................. 253.1. Préambule.................................................................................................................. 253.2. Stratégie d’acquisition locale .................................................................................... 253.3. Traitement local des données .................................................................................... 263.4. Logiciels de surveillance des réseaux ....................................................................... 27Partie 2 : Application à la CAB............................................................................................. 291. Etat des lieux sur les 2 communautés d’assainissement................................................... 291.1. Evaluation du régime juridique des DO.................................................................... 291.2. Nomenclature des DO ............................................................................................... 302. Fonctionnement hydraulique des DO............................................................................... 322.1. DO « trous dans le mur » .......................................................................................... 322.2. DO latéraux ............................................................................................................... 322.3. Autres DO ................................................................................................................. 383. Propositions d’instrumentation ........................................................................................ 433.1. Préambule.................................................................................................................. 433.2. DO n°2 et n°3 ............................................................................................................ 453.3. DO Lavandières et Alsace......................................................................................... 463.4. DO Magasin .............................................................................................................. 473.5. DO Strolz................................................................................................................... 483.6. DO Abreuvoir, Corbis et Théâtre.............................................................................. 493.7. DO Marseille (15), Marseille (14) et Moulin............................................................ 513.8. DO Degombert .......................................................................................................... 533.9. DO Foyer................................................................................................................... 543.10. DO Leclerc .............................................................................................................. 564. Validité et fiabilité des lois proposées.............................................................................. 575. Fonctionnement aval de la chaîne de mesure................................................................... 58Conclusion............................................................................................................................... 59Bibliographie........................................................................................................................... 60Annexe 1 : Textes législatifs................................................................................................... 65Annexe 2 : Quelques notions d’hydraulique........................................................................ 66Annexe 3 : Synthèse des différents capteurs........................................................................ 71Annexe 4 : Lignes d’eau sur les DO...................................................................................... 73Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 3

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineAnnexe 5 : Synoptique des réseaux....................................................................................... 74Annexe 6 : Classification des DO.......................................................................................... 75Annexe 7 : Calcul des paramètres hydrauliques sur les sites instrumentés ..................... 77Annexe 8 : Présentation et propositions d’instrumentation des DO de la CAB............... 78Annexe 9 : Nœuds restant à instrumenter sur les réseaux ............................................... 120Liste des tableauxTableau 1 - Obligations réglementaires d’autosurveillance des réseaux ................................... 9Tableau 2 - Obligations réglementaires d'autosurveillance des DO .......................................... 9Tableau 3 - Choix d’une section de mesure ............................................................................. 17Tableau 4 - Agglomérations d'assainissement étudiées ........................................................... 29Tableau 5 - Flux journaliers sur les DO étudiés....................................................................... 30Tableau 6 - Caractéristiques géométriques des DO étudiés..................................................... 31Tableau 7 - Ecoulements dans les conduites de déverse des DO latéraux sans crêtes............. 34Tableau 8 - Ecoulement dans la conduite de décharge des DO Alsace et Lavandières........... 39Liste des équationsEquation (1) :Equation (2) :Equation (3) :Equation (4) :Equation (5) :Equation (6) :Equation (7) :Equation (8) :Equation (9) :Equation (10) :Equation (11) :Equation de Manning-StricklerEquation des courbes de remousEquation de Barré de Saint-Venant mono dimensionnelleLoi de déversement de PoleniLoi de déversement d’AichelLoi de déversement de HagerLoi d’orifice dénoyéModèle des courbes de tarage amélioréExpression de la charge hydrauliqueExpression de la charge spécifiqueCalcul de la hauteur critiquePage 4 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Liste des figuresFigure 1- Vélocimètre à effet Doppler ..................................................................................... 15Figure 2 - Vélocimètre à temps de transit ................................................................................ 15Figure 3 - DO frontal, DO latéral, DO « trou dans le mur ».................................................... 17Figure 4 - Différentes nappes rencontrées sur les DO ............................................................. 18Figure 5 - Lignes d'eau possibles sur un DO prismatique latéral court.................................... 19Figure 6 - Seuil épais................................................................................................................ 19Figure 7 - Instrumentations possibles d'un DO ........................................................................ 20Figure 8 - Mesures sur un déversoir frontal mince et épais ..................................................... 20Figure 9 - Ordres de grandeur des différents facteurs intervenant dans le mesurage despolluants par voie optique ................................................................................................ 21Figure 10 - Mesure de turbidité par néphélométrie.................................................................. 23Figure 11 - Synoptique d'acquisition et de gestion des données.............................................. 25Figure 12 - Procédure de filtrage / validation en continu......................................................... 27Figure 13 - Ecoulement sur un seuil épais sans « crête » à pente forte et à pente faible ......... 33Figure 14 - Environnement du DO Magasin............................................................................ 34Figure 15 - Loi de fonctionnement du DO Magasin ................................................................ 35Figure 16 - Environnement du DO Foyer ................................................................................ 35Figure 17 - Loi de fonctionnement du DO Foyer..................................................................... 36Figure 18 - Réfection du DO Foyer ......................................................................................... 37Figure 19 - Environnement du DO Marseille (14)................................................................... 37Figure 20 - Loi de fonctionnement du DO Marseille (14) ....................................................... 38Figure 21 - Environnement des DO Alsace et Lavandières ..................................................... 39Figure 22 - Environnement hydraulique des DO Abreuvoir, Corbis et Théâtre ...................... 40Figure 23 - Fonctionnement des DO Abreuvoir, Corbis et Théâtre......................................... 41Figure 24 - Environnement du DO Leclerc.............................................................................. 41Figure 25 - Lignes de courant sur le DO Leclerc avec les vannes motorisées fermées ........... 42Figure 26 - Fonctionnement du DO Leclerc en DO frontal et latéral ...................................... 42Figure 27 - Influence de la largeur du cône d’émission d’un limnimètre à ultrasons.............. 43Figure 28 - Equipement des DO n°2, n°3 et Moulin pour la débitmétrie ................................ 46Figure 29 - Equipement des DO Alsace et Lavandières pour la débitmétrie........................... 47Figure 30 - Installation d’un limnimètre à ultrasons dans un regard en neutralisant la zonemorte................................................................................................................................. 47Figure 31 - Propositions (1) et (2) d’équipement du DO Magasin pour la débitmétrie........... 48Figure 32 - Equipement du DO Strolz pour la débitmétrie...................................................... 48Figure 33 - Propositions (1) et (2) d’équipement des DO Abreuvoir, Corbis et Théâtre pour ladébitmétrie........................................................................................................................ 50Figure 34 - Equipement du DO Marseille (15) pour la débitmétrie......................................... 51Figure 35 - Equipement du DO Marseille (14) pour la débitmétrie......................................... 52Figure 36 - Equipement du DO Degombert pour la débitmétrie.............................................. 54Figure 37 - Equipement du DO Foyer pour la débitmétrie ...................................................... 55Figure 38 - Equipement du DO Leclerc pour la débitmétrie.................................................... 56Figure 39 - Equipement des DO Abreuvoir, Corbis et Théâtre pour la mesure de pollution .. 51Figure 40 - Equipement des DO Marseille (15), Marseille (14) et Moulin pour la mesure depollution ........................................................................................................................... 53Figure 41 - Equipement du DO Degombert pour la mesure de pollution................................ 54Figure 42 - Equipement du DO Foyer pour la mesure de pollution......................................... 55Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - 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Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineListe des sigles, abréviations et notationsB : largeur au miroirβ : coefficient de Boussinesqc : épaisseur de crêteC : charge polluante (en MES ou DCO selon lecontexte)CAB : Communauté de l’Agglomération Belfortainec w : coefficient correcteur de HagerDBO5 : Demande Biochimique en Oxygène à 5 joursDCO : Demande Chimique en Oxygèneδt : terme de déphasageDO : Déversoir d’OrageECP : eaux claires parasitesEH : équivalent habitantEP : Eau Pluvialeε : booléenEU : Eau Uséeg : accélération de pesanteurh : hauteur d’eau (y : hauteur adimensionnalisée)hc : hauteur critiquehn : hauteur normaleH : charge spécifiqueI : penteJ : pente énergétique (perte de charge linéaire)K S : coefficient de rugosité de StricklerGlossaireL : longueur de crêtem : suivant le contexte, coefficient pondérateur ou decontractionMES : Matières en suspensionn : nombre de crêtesov : ovoïdeQ : débit ; suivant le contexte, débit déversé (Q d ),conservé...q 1 : débit latéralRh : Rayon hydrauliqueRUTP : Rejet urbain de temps de pluieS : section mouilléeSGL : Station de Gestion LocaleSI : unité SI, unité du système internationalt : tempsU : vitesse d’un écoulementθ : angle aigu de la crête du déversoir avec l’axe ducanalw : hauteur de crête (W : crête adimensionnalisée)z : coefficient correcteur d’AichelØ : selon le contexte, ensemble vide ou diamètred’une canalisation circulaire∀ : pour toutAgglomération d’assainissement : zone dans laquelle tous les effluents collectés sont acheminés vers un systèmed’assainissement unique.Charge brute de pollution organique : quantité de DBO5 2 calculée sur la base de la charge journalière moyennede la semaine la plus chargée au cours d’une année donnée par temps sec.Débit de référence : pour un déversoir, débit de début de déversement.Dérive d’un capteur : modification progressive du signal émit par un capteur (d’où dérive du zéro de réglage).Déversoir d’orage : ouvrage permettant de rejeter au milieu naturel une partie des effluents en cas de fort débit.Equivalent habitant : charge polluante de 60 g DBO5/jEaux (claires) parasites : effluents transitant par un réseau qui n’a pas été conçu pour les recevoir (infiltrationd’eaux de nappe, de pluie, branchement irrégulier...)Eaux résiduaires urbaines : mélange d’eaux usées d’origine domestique et industrielle, d’eaux pluviales et d’eauxparasites.Réseau séparatif : réseau de collecte séparant les eaux usées des eaux pluviales.Réseau unitaire : réseau de collecte ne séparant pas les eaux usées des eaux pluviales.Temps de pluie : période pendant laquelle les évènements pluvieux influent sur le système d’assainissement.Temps sec : période "sèche" pour laquelle les évènements pluvieux sont inexistants ou n’ont aucun impact sur lesystème d’assainissement.2 Demande Biochimique en Oxygène à 5 joursPage 6 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)IntroductionL’instrumentation des réseaux d’assainissement est une démarche qui peut faire suite àplusieurs volontés :• l’autosurveillance réglementaire des RUTP 3 ,• l’instrumentation réglementaire des collecteurs,• le diagnostic permanent des réseaux,• la constitution de bases de données (pour caler des modèles hydrauliques, etc.),• la gestion en temps réel,• etc.La présente étude a pour cadre deux agglomérations d’assainissement appartenant à laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (CAB) :• agglomération de Belfort (constituée des communes de Belfort, Bavilliers (Est),Cravanche, Danjoutin, Eloie, Essert (Est), Evette-Salbert, Offemont, Pérouse,Sermamagny, Valdoie, Vétrigne (Ouest) ), en partie étudiée par [26],• agglomération de Bavilliers (constituée des communes d’Essert et Bavilliers).Elle vise à établir une proposition d’instrumentation de ces réseaux afin de répondre auxexigences réglementaires. Elle s’inscrit dans la mise en place de l’autosurveillance et dudiagnostic permanent des systèmes d’assainissement de la CAB. Les objectifs sont donc, àterme, de mettre au point une chaîne de mesure fiable et la plus automatisée possible. Laproposition d’équipement du réseau s’appuiera pour cette raison sur une réflexion sur le modede gestion et d’acquisition des données.Dans une première partie, on s’intéressera aux cadres législatif (identification des objectifs) ettechnique (moyens de mesure, renforcement de la fiabilité) de l’autosurveillance. On sepenchera ensuite sur le cas pratique de la CAB, afin de proposer une instrumentation adaptée.3 Rejets Urbains de Temps de PluieThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 7

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Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Partie 1 : Cadre Législatif et Technique1. Cadre LégislatifL’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 […] fixe les prescriptions de l’autosurveillance en France. Les dispositions retenuesdans l’article 8 sont les suivantes (voir tableau 1 et annexe 1 pour plus de précisions) :Charge brute depollution organiqueObligations sur le réseauproduite par le réseau entemps sec (DBO5, enkg/j)600 < DBO5 Le système de collecte […] doit être conçu ou adapté pourpermettre, au plus tard le 1 er janvier 2010, la réalisation dans desconditions représentatives, de mesures de débit aux emplacementscaractéristiques du réseau, y compris la mesure du débit surversépar le déversoir d’orage situé en tête de station d’épuration.6000 < DBO5 Le système de collecte des agglomérations […] doit être muni dedispositifs de mesure de débit aux emplacements caractéristiques duréseau, y compris sur le déversoir d’orage en tête de station. 4Tableau 1 - Obligations réglementaires d’autosurveillance des réseauxL’article 18 de l’arrêté précise par ailleurs les modalités de suivi des DO 5 en terme depollution et de débits (échéance immédiate) (tableau 2) :DO et dérivations éventuelles destinés à collecter une chargebrute de pollution organique de … :Paramètre 120 kg/j < DBO5 < 600 kg/j 600 kg/j < DBO5DébitEstimation des périodes de Mesure en continu du débitdéversement et des débitsrejetésPollution Aucune obligation Estimation de la chargepolluante (MES 6 , DCO 7 )déverséeTableau 2 - Obligations réglementaires d'autosurveillance des DOA noter que ces dispositions peuvent être adaptées au milieu naturel par le préfet ouremplacées par le « suivi des déversoirs d’orage représentant plus de 70% des rejets dusystème de collecte. »L’arrêté du 22 juin 2007 fixe également les modalités des rejets industriels. Concernantl’autosurveillance des réseaux, il y a déclenchement d’une procédure d’alerte en cas defranchissement de seuils de polluants à la station d’épuration. L’exploitant du réseau est alorstenu de lancer des investigations pour trouver la source des pollutions.4 L’arrêté du 22 décembre 1994 abrogé par l’arrêté du 22 juin 2007 fixait les échéances suivantes : le 10 février1997 pour les réseaux produisant plus de 6000kg/j de DBO5 ; le 10 février 1999 pour les réseaux produisantentre 601 et 6000 kg/j de DBO5 ; le 10 février 2000 pour les ouvrages produisant entre 120 et 600kg/j de DBO5.5 Déversoir d’Orage6 Matières En Suspension7 Demande Chimique en OxygèneThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 9

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)les cas trop éloignés du régime permanent uniforme, le calage peut aboutir à un coefficient derugosité n’ayant plus la moindre signification physique et il n’est donc pas forcément utile derecourir à un tel degré de sophistication.Une simple mesure de hauteur dans la section de contrôle retenue permet de connaître lasurface et le rayon hydraulique, et donc le débit, en continu.c) Equation des courbes de remous2Q2I −Q ⋅ B4 x h 1−222 233dh Ks ⋅S⋅ Rhg ⋅S= 2dx Q ⋅ B ∫ dx = ∫2Q1−x h I −1134g ⋅S2 23Ks ⋅S⋅ Rhdh (2)avec :• g : l’accélération de pesanteur prise égale à 9,81 m/s²• h : la hauteur d’eau (en m)• B : la largeur au miroir (en m)Cette équation théorique est à employer dans le cas du régime permanent non uniforme (dansl’hypothèse d’un écoulement graduellement varié). Elle est donc plus polyvalente quel’équation de Maning-Strickler mais aussi plus complexe. En pratique elle peut s’utiliser dedeux manières :• résolution directe de la forme intégrale par un code de calcul grâce à la connaissancede deux hauteurs d’eau (h 1 , h 2 ). Dans les quelques cas où il existe une condition limiteparticulière (hauteur critique sur une chute d’eau par exemple), on peut se contenterd’une seule mesure de hauteur,• simplification de l’équation : si l’on se situe sur une portion d’ouvrage où la courburede la ligne d’eau est réduite, on peut se contenter de deux mesures de hauteur d’eau(h 1 et h 2 ) ; dh devient h(x 2 )-h(x 1 ), dx devient (x 2 -x 1 ) et on calcule les paramètreshydrauliques (largeur au miroir, section mouillée et rayon hydraulique) pour la valeurmoyenne (h 1 +h 2 )/2. Cette solution a pour avantage d’être facilement mise en placelocalement (au contraire d’un code de calcul résolvant la forme intégrale, difficile àprogrammer sur un SGL 8 ; voir figure 11).d) Equations de Barré de Saint-Venant (à une dimension)⎧∂Q⎪+ ∂S= q1∂x∂t⎨2∂Q∂ ⎛ Q ⎞ ∂Q(3)⎪ + ⎜ β ⎟ + g S h = g S (I − J) + (ε −1)q1⎩ ∂t∂x⎝ S ⎠ ∂xSAvec• J : pente énergétique. Correspond aux pertes de charge dues aux frottements sur lesparois du collecteur.• β : coefficient de Boussinesq• ε : nombre booléen (ε = 0 si le débit latéral est sortant, ε = 1 si le débit latéral estentrant)• q 1 : débit latéral. Terme nul s’il n’y a pas d’apports latéraux.Les équations de Barré de Saint-Venant sont les plus utilisées en modélisation nonstationnaire. La forme 3D des équations impose un temps de résolution prohibitif qui8 Satellite de Gestion LocaleThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 11

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaineempêche tout traitement en temps réel. Il reste toutefois possible d’utiliser un code de calculen temps réel basé sur les équations à une dimension présentées plus haut [25]. Cependant, leprogramme est là-aussi difficile à implanter in situ.e) Lois de seuilD’autres lois plus particulières peuvent parfois être utilisées en assainissement. Au droit desseuils, et donc des DO, il est possible d’exploiter les lois dites de seuil ; elles sontgénéralement valables tant qu’aucun ressaut hydraulique n’est observé sur le DO. Seules leséquations utilisées dans cette étude sont présentées ci-dessous :• Formule de Poleni (DO frontal à seuil mince, bas, rectangulaire et nappe libre, voirPartie 1, 2.1.4.)Q déversé = m · L · h 0 · (2g · h 0 ) 1/2 (4)Avec :o Q déversé : le débit déversé par le DO (en m 3 /s)o m : coefficient pondérateur du débit (à caler sur site, plusieurs formulesexistantes)o L : la longueur de la crête (en m)o h 0 : la hauteur de la ligne d’eau amont par rapport au seuil (en m)o valable pour V 0 2 (vitesse d’écoulement amont)

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)f) Lois d’orificesParfois les DO sont constitués d’un simple regard avec un tuyau évacuant le trop-plein ; cesDO sont appelés DO « trous dans le mur » (voir Partie 1, 2.1.4.). Il est possible dans cecontexte d’utiliser une loi d’orifice. La seule loi facilement exploitable est celle des orificesdénoyés :Q déversé = m S 2 g h(7)Avec :• m : le coefficient de contraction (pris généralement égal à 0,6)• h : la hauteur d’eau dans le regard par rapport à l’orificeSi l’orifice est « grand », il faut alors intégrer la formule sur la section.On peut également signaler le logiciel CalDO développé par Anjou Recherche et l’ENGEES.Ce logiciel, validé sur pilote, permet de simuler le comportement des déversoirs latérauxd’une manière satisfaisante. Son intérêt principal réside dans la prévision des ressautshydrauliques sur la seule base des critères géométriques de l’environnement du DO. Le débitdéversé est calculé selon une loi de seuil (loi de Hager, équation (6)) et la ligne d’eau selon leséquations de Barré de Saint-Venant à une dimension.2.1.2. Les techniques de mesurea) Mesure par limnimétrieOn distingue plusieurs techniques de mesure du débit par limnimétrie :• Mesure de la hauteur en un seul point :o Ecoulement permanent uniforme : « L’hypothèse de base consiste à considérerque l’écoulement est permanent et à négliger les effets de stockage dans lecollecteur. » [3] On construit ainsi une courbe biunivoque Q = f(h), parexemple un calage de la relation de Maning-Strickler (équation (1)).o Mesure au droit d’une section particulière : il s’agit de mesurer la hauteur audroit d’un seuil ou d’un canal Venturi. Il peut s’agir de dispositifs normés(canal Venturi par exemple) comme de DO. Les conditions de validité sontcelles de la loi expérimentale ou théorique utilisée.o Calage d’une loi hauteur-débit en un point quelconque : il est parfoisnécessaire de caler une relation entre une hauteur et un débit en un point qui yest peu propice. La relation est alors purement expérimentale ; on effectue lecalage grâce à la vélocimétrie (voir b)). Toutefois, « le calage des lois hauteurdébit est un travail de longue haleine » [36].• Mesure de la hauteur en deux points :o Cas du régime permanent graduellement varié : on utilise l’équation descourbes de remous (équation (2)). Cette méthode permet la mesure en casd’influence aval (intrusion du milieu récepteur…)o Cas du régime transitoire : le régime transitoire passe par la résolution deséquations de Barré de Saint-Venant dans le cas général (des formulessimplifiées sont utilisables dans certaines conditions : relation de Jonescorrigée [25]…) Ce calcul est rendu obligatoire lorsqu’un déphasage temporelentre la vitesse et la hauteur apparaît (uniquement en régime fluvial). Enpratique, le traitement des équations demande un temps de calcul importantalors que de tels phénomènes sont rares en réseau d’assainissement [28]. LaThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 13

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaineplupart du temps, on se contente de l’approximation selon laquelle le régimetransitoire est assimilable à une succession de régimes permanents.b) Mesure par vélocimétrieDans les cas complexes, il est parfois préférable de mesurer conjointement la vitesse et lahauteur d’eau dans une section de contrôle. On calcule le débit par un simple produitvitesse x section, la section mouillée étant déduite de la hauteur d’eau. On notera que l’ons’affranchit ainsi du calage des différents paramètres souvent rencontrés en limnimétrie pure,mais pas de l’étalonnage des appareils. La vélocimétrie est plus particulièrementrecommandée pour « le mesurage des écoulements pluviaux. La prise en compte de la vitessepermet d’évaluer et de garantir des incertitudes ∆Q/Q de 15 à 17% selon la techniqueemployée » [3].2.1.3. Instrumentationa) PréambuleCette partie a pour but de présenter brièvement les principaux appareils de mesure enassainissement. On présentera également quelques chiffres (incertitudes de mesure…) etcertaines informations nécessaires à la lecture du rapport. Pour des informations plus précisessur chaque capteur, on pourra se reporter à l’annexe 3. On notera que les chiffres présentéss’appuient sur des ouvrages datant parfois de 7 ou 8 ans ; les appareils de mesure étant enconstante amélioration, il est inévitable que ces chiffres soient plus ou moins dépassés. Avanttout choix de capteur, il conviendra donc de se rapporter aux notices fournies par lesconstructeurs.b) Mesure de la hauteur[3], [28]En assainissement, la mesure de hauteur est généralement réalisée par le biais d’une mesurede pression ou par une mesure acoustique :b.1) Mesure de la pressionLe principe reste le même dans tous les cas : il s’agit d’évaluer la pression exercée par lacolonne d’eau sur le capteur. On trouve notamment des capteurs piézorésistifs (mesuredirecte) et des capteurs type « bulle à bulle » (mesure par l’intermédiaire d’un systèmepneumatique). L’incertitude de mesure d’un capteur bulle à bulle est de 4 à 10 mm, et celled’un capteur piézorésistif de 1% de l’étendue de mesure s’il est contrôlé au minimum tous les6 mois. On notera que la corrélation pression / hauteur d’eau nécessite un fluide statique (ou àdéfaut des lignes de courant parallèles entre elles) ; on évitera donc d’utiliser ces capteurslorsque la vitesse est importante.b.2) Mesure acoustiqueLe principe consiste à mesurer le temps nécessaire pour qu’une onde effectue un aller-retourentre le capteur et l’interface air/eau. On trouve principalement des capteurs ultrasoniquesaériens, mais il existe également des capteurs ultrasoniques immergés, des capteurs radars…L’incertitude globale attendue est de 1% pour les distances supérieures à 1m, et de 1 cm pourle reste sur un ultrason aérien. L’emploi des capteurs ultrasoniques aériens est largementconseillé de part leur faible coût, leur fiabilité et leur maintenance réduite.b.3) Détecteur de surverseIl convient de dire un mot des détecteurs de surverse qui restent avantageusement employésen assainissement. Ils ne mesurent pas à proprement parler le niveau mais fonctionnent enPage 14 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)« tout ou rien » : le signal est envoyé lorsque le fluide atteint le niveau du capteur. Ils restentconseillés pour quantifier des périodes et durées de déversement.c) Mesure de la vitesse [3], [25], [28], [36]Quatre techniques sont majoritairement employées en assainissement :c.1) Capteur à effet DopplerCes capteurs à ultrasons mesurent la vitesseinstantanée des particules par émission d’uncône d’ondes (la fréquence de l’onde réfléchieest fonction de la vitesse de la particule, c’estl’effet Doppler). Un coefficient correctif estalors appliqué pour obtenir la vitesse moyennede l’écoulement. Le capteur est généralementfixé sur le radier de la conduite, mais il peut setrouver sur un flotteur : il est donc de typeintrusif. La précision attendue est de 10 à15 %.Figure 1- Vélocimètre à effet Doppler (extrait deSolliec, 2006 [28])c.2) Capteur à corrélation croisée d’échosCes capteurs récents utilisent également l’effet Doppler. Ils sont capables de découperl’écoulement en tranches élémentaires, ce qui permet d’obtenir une cartographie de la vitesse(des particules) sur la section mouillée. Cette discrétisation, bien plus précise que le côned’émission du vélocimètre à effet Doppler, permet aussi de s’affranchir de la calibration (pasde coefficient correcteur). La précision de mesure peut atteindre 5 %.c.3) Capteur à temps de transit (ou à corde ultrasonique)Figure 2 - Vélocimètre à temps de transit (extraitde Solliec, 2006 [28])Ces capteurs, qui fonctionnent par paires,sont à implanter dans la paroi desconduites. Ils mesurent le temps nécessaireà une onde pour effectuer un parcoursaller-retour sur la largeur de la conduite(fonction de la vitesse de l’écoulement) ;plusieurs paires de capteurs sontnécessaires pour obtenir une valeurreprésentative de la vitesse moyenne.L’incertitude minimale est de 15 % pourune paire, 7 % pour deux paires, 5 % pourcinq paires.c.4) Capteurs électromagnétiquesDeux types de capteurs existent, mais ils reposent sur le même principe : un fluide enmouvement dans un champ magnétique crée une force électromagnétique induiteproportionnelle à la vitesse. L’un des capteurs est intrusif et localisé (sonde) et ne scrutequ’un faible volume ; l’autre s’installe en manchette sur la conduite et peut atteindre uneprécision totale de mesure de 1 à 3 %.d) Anomalies affectant les mesures [18]Les anomalies qui affectent les systèmes de mesures peuvent être regroupées en deuxcatégories :Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 15

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortainee.1) Anomalies de fonctionnement• Défaut pérenne : dérive, micro encrassement, macro encrassement, capteur horsservice, ensablement, désétalonnage, panne électrique, problème sur l’électroniqued’acquisition, mesure hors gamme, déphasage vitesse/hauteur.• Défaut temporaire : encrassement temporaire du capteur.e.2) Anomalies sur le processus• Anomalies de conception : conditions d’écoulement (temporairement) incompatiblesavec les hypothèses (ex : niveau d’eau trop bas).• Anomalies de représentativité du contexte de mesure : entretien du capteur, entretien,du réseau, modification de la configuration du réseau, évènements hydrologiquesidentifiables (pluie, marée, rejets accidentels), évènements hydrologiques nonidentifiés mais dont les capteurs fournissent une image fidèle (rejets accidentels),influence aval, intrusion du milieu extérieur.On trouvera en annexe 3 un tableau récapitulant les anomalies susceptibles d’affecter laplupart des capteurs utilisés en assainissement.e) Critères à retenir pour le choix d’un capteurLe choix d’un capteur de vitesse repose essentiellement sur la hauteur d’eau. Pour deshauteurs inférieures à 0,10 m, les capteurs intrusifs perturbent l’écoulement et sont àproscrire ; pour des hauteurs comprises entre 0,10 m et 1 m, il est recommandé d’utiliser uncapteur à effet Doppler (qui peut être installé sur flotteur ou sur le radier) ; pour les hauteursplus importantes, le capteur Doppler sur flotteur, le capteur à temps de transit ou le capteur àcorrélation croisée d’échos sont indispensables.En règle générale, « il est important de garder à l’esprit que des résultats de mesure avec uneincertitude élevée mais fiables sont généralement préférables à des résultats avec uneincertitude moindre mais moins fiables, pourvu que l’on puisse évaluer correctement…l’ordre des incertitudes de mesure » [3]. Cela vaut tant pour des mesures de hauteur que desmesures hauteur / vitesse.Un autre critère, au moins aussi essentiel, est l’ensemble entretien / étalonnage pour lequel leslimnimètres présentent un avantage appréciable. En effet, « l’étalonnage sur site des capteursde vitesse est plus complexe que celui des limnimètres. Une dérive progressive de la mesureest difficile à détecter. Par ailleurs leur entretien est plus délicat, s’ils sont constammentimmergés : un montage amovible est moins facile à réaliser que pour des capteurs depression » [36]. Le choix d’un capteur ne doit donc pas se réduire à un simple compromisinvestissement / précision.f) Critères à retenir pour le choix d’une section de mesure en fonction des méthodeset capteurs employésLe tableau 3 synthétise les paramètres à retenir pour le choix d’une section de mesure (lesparamètres présentés sont bien évidemment à adapter à la technique employée…) Le choix dela section de mesure n’est pas le seul paramètre entrant en ligne de compte pour la conceptiond’une station de mesure : il faut également intégrer le système d’acquisition des données,l’alimentation électrique, et considérer la marge disponible pour l’aménagement. On préfèrerapar exemple aménager une chambre de mesure dans une rue piétonne plutôt que sous uneroute passante, à proximité d’un réseau de communication existant plutôt qu’en un pointisolé…6Page 16 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)A éviterRecommandéLes sections se mettant en charge (notamment Portion d’ouvrage linéaire en amont et en avalpas de débordement en surface)de 10 à 20 fois le diamètreLes portions d’ouvrages exposées aux risques Tracé rectiligne sans singularité, éloigné ded’inversion de l’écoulement tout coude, obstacle, confluence ou défluenceLes mesures en zone de turbulence Pente uniforme, de préférence inférieure à 2%Les zones de dépôtsMême pas de temps pour la mesure de lahauteur et de la vitesseLes radiers dégradésMesure de hauteur et de vitesse dans la mêmesectionLes sites soumis aux parasites électriques Section bétonnée régulière et uniformeLes sites soumis au risque de foudre Regard de visite au droit de l’écoulementLes sites soumis au vandalismeFacilité d’accès à toute heureCheminée d’accès permettant l’installation deboîtiers de conditionnementTableau 3 - Choix d’une section de mesure (tableau construit par l’auteur sur la base de Bertrand-Krajewski et al. 2000 [3], TSM 2001 [36] et Bonakdari et al. 2006 [10])2.1.4. Hydraulique et caractéristiques des DOa) Nomenclature [8]Différentes classifications des déversoirs d’orage ont été créées. On se basera ici sur l’étudemenée en 1997 par Anjou Recherche et l’ENGEES qui tient à la fois compte de la géométriedes ouvrages et de l’hydraulique. On définit avant tout deux grandes familles de déversoirs :• ouvrages ne présentant pas de seuil : trous dans le mur, leaping weir,déversoirs semi-automatiques à vanne réglable, ouvrages à vortex,• ouvrages à seuil (simple ou double) : déversoir à seuil frontal, déversoir à seuillatéral, déversoir à seuil intermédiaire.Dans le cas pratique de la CAB, les ouvrages présents sont de type « trous dans le mur »,déversoirs à seuil frontal et déversoir à seuil latéral. Pour cette raison, seuls ces ouvrages sontreprésentés sur la figure 3.EntréeDéverseEntréeSortieSortieEntréeDéverseDéverseSortieFigure 3 - DO frontal (en haut à gauche), DO latéral (en haut à droite), DO « trou dans le mur » (en bas)Les critères retenus pour la classification des déversoirs sont les suivants :a.1) Critères géométriques : ils caractérisent trois éléments du DO.Les seuils :• le nombre de seuils,Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 17

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine• la hauteur de seuil (du parement amont),• la longueur du seuil,• l’épaisseur du seuil.La (ou les) conduite(s) :• le diamètre de la conduite amont,• le diamètre de la conduite aval,• le diamètre de la conduite de décharge.La forme du DO en général :• l’angle de la crête par rapport au repère fixé,• l’angle de la conduite amont par rapport au repère,• l’angle de la conduite aval par rapport au repère,• l’angle de la conduite de décharge par rapport au repère,• la surface de la canalisation de débit conservé,• la surface de la chambre de déversement,• les pentes relevées au sein de l’ouvrage.Ces paramètres ont été regroupés sous forme de ratios pour établir des fiches caractéristiquesdes DO. On trouvera en annexe 6 un tableau récapitulatif des critères.a.2) Critères hydrauliquesCeux-ci sont de deux types, suivant le type de DO :• DO frontal : forme de la nappe (adhérente, libre ou noyée, voir figure 4)Figure 4 - Différentes nappes rencontrées sur les DO (extrait de Vazquez et al., 2006 [8])• DO latéral :o seuil court : écoulement fluvial ou torrentiel sans ressaut.o seuil long : six cas d’écoulement possibles.Page 18 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Un déversoir est dit à crête haute lorsque la hauteur du seuil est supérieure au « plafond » dela conduite aval ; dans le cas inverse, le déversoir est dit à crête basse.Les déversoirs latéraux dont le rapport longueur du parement / diamètre amont est supérieurou égal à 3 sont qualifiés de déversoirs à crête longue. Dans ce cas, la variation de la ligned’eau est importante et des ressauts hydrauliques sont susceptibles de se produire. Aucontraire, quand ce rapport est plus faible, le déversoir est dit court ; la ligne d’eau sesimplifie et on n’observe aucun ressaut hydraulique.On verra en Partie 2, 1.2. qu’aucun des DO étudiés n’est long ; pour cette raison, seules leslignes d’eau des déversoirs courts ont été reportées sur la figure 5. On trouvera en annexe 4 latotalité des lignes d’eau rencontrées dans le cas général.écoulementligne d’eauFigure 5 - Lignes d'eau possibles sur un DO prismatique latéral court (en régime fluvial à droite et enrégime torrentiel à gauche) (d'après Vazquez et al., 2006 [8])Remarque : lorsque le déversoir est non prismatique, (notamment les déversoirs avecentonnement, c’est à dire dont la canalisation de sortie est plus "étroite" que celle d’amenée)les lignes d’eau se compliquent davantage.On parle également de seuilépais, mince ou d’épaisseurindéterminée suivant que l’onse situe dans l’une desconfigurations suivantes :• h am > 2 c : seuil mince,• h am < 1.5 c : seuil épais,• 1.5 c < h am < 2 c : pasde dénomination.Figure 6 - Seuil épais (extrait de Vazquez et al., 2006 [8])b) Configurations d’instrumentationPlusieurs configurations peuvent être retenues pour le suivi des RUTP d’un DO (figure 7) :• Mesures sur la conduite de décharge :En règle générale, un déversoir ne possède qu’une conduite de déversement. Dans ce cas, lamesure dans la conduite de décharge permet d’améliorer la précision : on limite les points demesure. Il faut toutefois prendre garde à l’influence aval du milieu récepteur qui peut ne pasêtre négligeable. Dans ce cas, une simple mesure de hauteur n’est plus suffisante pourdéterminer le débit et il faut prendre garde à l’emplacement des vélocimètres (chute desvitesses). A noter que les mesures ne sont réalisées qu’en temps de pluie. Parfois, l’ouvragedéverse dans une conduite d’eaux pluviales ; il est alors nécessaire d’équiper la partie amontpour calculer le débit déversé par différence (dans ce cas, se rapporter à la section « mesuressur le collecteur »), mais cela est à éviter.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 19

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineEU AmontEP Aval / Décharge(EP Amont)EU AvalMesures sur la conduite de décharge (aval et amont le cas échéant)Mesures sur la conduite d’eaux usées (amont et aval)Mesure au droit du seuilFigure 7 - Instrumentations possibles d'un DO 9• Mesures sur le seuil :Les mesures au droit de l’ouvrage permettent d’évaluer le débit déversé par le biais d’une loide seuil. Il suffit d’une ou plusieurs mesures de hauteur pour le calculer à tout instant.Classiquement, on installe des ultrasons émergés au-dessus du canal de débit conservé du DO.• Mesures sur le collecteur :On calcule le débit déversé par une différence amont – aval. Cette technique est à réserver auxécoulements complexes n’ayant pas plus d’une entrée et d’une sortie. En effet, on double nonseulement le coût d’instrumentation, mais aussi l’incertitude au point que les faibles débitsdéversés ne peuvent être détectés. D’autre part le risque d’obtenir une donnée aberrante estdouble, et la durée de traitement est également rallongée.En règle générale, il convient d’effectuer la mesure hors du remous dû au DO (quelle que soitla forme du déversoir). En effet, la surface libre y est instable et fortement courbée, ce quirend la mesure peu fiable. A titre d’exemple, on trouvera sur la figure 8 les recommandationstirées de [4] pour le cas des déversoirs frontaux.Figure 8 - Mesures sur un déversoir frontal mince (en haut) et épais (en bas) (d’après Ladreyt et al., 2005[4])9 EU : Eaux usées ; EP : Eaux pluvialesPage 20 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)2.2. Mesures de la pollution, état de l’artPlusieurs techniques existent, qu’elles soient ponctuelles ou en continu. Les méthodes deréférence (normalisées) sont celles recourant à l’échantillonnage avec analyse automatiquedifférée en laboratoire. Les coûts en main d’œuvre, en réactifs sont toutefois prohibitifs : cestechniques ne peuvent être envisagées que pour des campagnes ponctuelles. On préfère engénéral utiliser les analyseurs en continu dont les principaux avantages sont les suivants (ilconvient d’éviter les analyseurs en continu spécifiques d’un polluant, moins robustes et pluscoûteux [34]) :• « L’information est disponible immédiatement et en permanence (suppression deséchantillons, des analyses et des délais afférents) ;• L’information est réellement continue (ou discontinue à des pas de temps très courtsde l’ordre de la minute), ce qui permet de suivre dans les détails l’évolution desphénomènes mesurés ;• Il est possible de suivre et d’analyser des dizaines ou des centaines d’évènementspluvieux et de réaliser un diagnostic permanent pour un coût bien moindre qu’avecdes échantillonnages et des analyses classiques. » [1]Ces capteurs fournissent deux types d’informations : tout d’abord la grandeur mesurée ellemême,qui peut être une des caractéristiques des effluents (conductivité, turbidité, pH...).Dans ce cas, la mesure brute renseigne sur la « normalité » d’un effluent et suffit pour lasurveillance (effluents industriels par exemple).Il est également possible de corréler ces mesures à la charge polluante d’un effluent.Rappelons qu’en autosurveillance réglementaire, seules la DCO et les MES sont à évaluer ;deux appareils optiques ont démontré leur capacité à évaluer ces deux polluants de manièrefiable. Il s’agit des turbidimètres (mesure à longueur d’onde fixée, généralement dansl’infrarouge) et des spectromètres UV-Visible (mesure à longueur d’onde variable dansl’ultraviolet et/ou le visible) [11].Figure 9 - Ordres de grandeur des différents facteurs intervenant dans le mesurage des polluants par voieoptique (limites approximatives) (extrait de Bertrand-Krajewski et al., 2000 [3])Les deux appareils n’ont pas le même domaine d’utilisation pratique en assainissement.Comme on peut le voir sur la figure 9, la mesure dans l’infrarouge permet d’évaluer laThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 21

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortainepollution en suspension (cas des turbidimètres); au contraire, une mesure dans les domainesde l’ultraviolet et du visible (cas des spectromètres) tient compte des trois formes de pollution(dissoute, colloïdale ou en suspension). Par définition, les MES sont en suspension et doncanalysables par les deux appareils. Au contraire, la DCO peut se trouver présente sous lestrois états, ce qui réduit l’intérêt des turbidimètres vis à vis de cette mesure. Toutefois dans lecas des RUTP, « la fraction particulaire de la DCO est prépondérante, de l’ordre de 80 à 90 %de la DCO totale » [9] : en analyse en continu, on se contente souvent de supposer que lesparts dissoute et colloïdale de la DCO sont proportionnelles à la part en suspension [37]. Celapermet donc d’effectuer la mesure de la DCO avec des turbidimètres, bien moins chers queles spectromètres.Les corrélations turbidité – MES et turbidité – DCO sont calculées à partir de prélèvementsréalisés par des préleveurs automatiques (impératif pour des campagnes de temps de pluie) oudes prélèvements manuels (possible en temps sec). Différentes sources tendent à montrerqu’en temps sec, ces relations sont assez reproductibles d’un site à l’autre [22], [35] ;toutefois, cela n’est pas le cas en temps de pluie. La corrélation turbidité – DCO estparticulièrement délicate à établir : la part de la DCO dissoute varie au cours d’un évènementpluvieux [37]. Des auteurs ont obtenu des résultats prometteurs en tenant compte deparamètres comme le débit ou l’intensité de la pluie [3], [37]. On prendra donc soin à séparerles campagnes d’étalonnage de temps sec et de temps de pluie, les jours ouvrés des jourschômés (si influence de rejets industriels) etc. Un minimum d’une quarantaine de mesures surune large plage est indispensable pour obtenir une relation fiable [1]; toutefois, un seulprélèvement pourrait être suffisant pour caractériser le temps sec [22]. On pourra se référer àla méthodologie proposée par [9], [30] et [38] pour la mise en oeuvre de ces campagnes etaméliorer la précision des mesures en général.Dans certains cas, notamment les rejets industriels, il est possible que la DCO soitmajoritairement dissoute, et donc inaccessible aux mesures dans l’infrarouge. Unspectromètre UV-Visible est alors impératif sauf s’il s’avérait que le rapportDCO dissoute / DCO particulaire soit constant dans le temps : dans ce cas, un turbidimètre pourraitrester employable en extrapolant la mesure à la DCO totale.Remarque : la mesure brute de la turbidité est soumise à de fortes fluctuations. On peutexpliquer ces erreurs par le passage de macro particules entre deux électrodes, par un microencrassement… Un filtrage en continu est donc souvent nécessaire ; on y reviendra enPartie 1, 3.3. .2.2.1. InstrumentationOn présente ici rapidement les principaux instruments servant à la mesure de la pollution. Lesanomalies susceptibles d’invalider les mesures qualitatives sont assez similaires à cellesdécrites pour la débitmétrie. Pour cette raison, elles ne seront pas développées.a) Préleveur automatiqueLe recours aux préleveurs automatiques est rendu nécessaire en mesure en continu par lavariabilité spatiale et temporelle des relations de corrélation. La qualité de la mesure dépenddirectement de celle de l’implantation du préleveur, ce qui est assez délicat. « En effet, leseffluents s’homogénéisent mal, notamment le long des parois du canal et il faudra choisir deszones de turbulence où l’effluent est le plus homogène possible. […] Par ailleurs, il ne fautpas prélever en surface, ni au fond, mais à l’endroit où l’effluent est le plus mélangé, tout enévitant les tourbillons susceptibles de créer des entrées d’air. En règle générale, le choix duPage 22 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)point de prélèvement de l’échantillon doit être situé à une immersion égale au tiers de laprofondeur totale de l’effluent » [1]. Etant donné la fluctuation de la hauteur d’eau au coursd’un événement pluvieux, il est évident que de telles préconisations sont difficiles àrespecter… On pourra consulter [3], [33] pour plus de précisions sur les critères de bonprélèvement.b) Turbidimètre« La turbidité constitue en elle-même unindicateur de pollution, et elle se prête bien àune mesure en continu pour un coût réduit »[29]. Une cellule émettrice envoie unfaisceau lumineux (généralement dansl’infrarouge) qui est analysé selon un anglevariable : pour les effluents urbains, onrecommande l’atténuation (angle nul) ou lanéphélométrie (angle de 90°, voir figure 10).On notera que le turbidimètre est un appareiloptique : il est très sensible à l’encrassement.Un système d’auto-nettoyage s’avère doncimpératif (on privilégiera les systèmesmécaniques de nettoyage, ce qui rend leraccord au réseau électrique impératif). Parailleurs, unFigure 10 - Mesure de turbidité par néphélométrie(extrait de Lepot, 2007 [21])nettoyage mécanique ne doit pas s’effectuer à sec, et il conviendra de prendregarde à cet aspect pour installer l’appareil (démarrage sur un niveau d’eau par exemple).c) Spectromètre automatiqueTout composé chimique admet un maximum d’absorption lumineuse pour une fréquence quilui est propre. Le spectromètre réalise le spectre d’absorption de l’effluent pour desfréquences allant de l’ultraviolet au visible (variable selon les appareils), ce qui lui permetd’évaluer la pollution totale. A chaque pic d’absorbance correspond un pic dont l’intensitédépend de la concentration. On notera qu’une fois le spectromètre installé et étalonné, il estpossible de suivre de nombreux polluants : MES et DCO, mais aussi nitrates, etc. Desappareils d’analyse en continu relativement robustes ont été développés, mais le coût resteassez élevé par rapport aux turbidimètres. Deux types d’installations existent : spectromètreimmergé installé sur flotteur ou en dérivation avec utilisation d’une pompe (péristaltique depréférence) [11], [32]. Dans les deux cas, un nettoyage par air comprimé est à prévoir. Unétalonnage local est fortement recommandé malgré les affirmations des constructeurs [14].2.2.2. Modélisations de la pollutionIl existe différents modèles de pollution (accumulation de la pollution sur les surfacesurbaines, érosion des dépôts en collecteur, transport solide, advection…) ; ils sontgénéralement couplés à un modèle hydrodynamique. Dans le cadre de l’autosurveillance desréseaux, il pourrait être avantageux d’évaluer la charge d’un effluent par un modèle prédictif ;on pourrait ainsi économiser des capteurs ou fiabiliser les mesures au titre de la redondanceanalytique (voir Partie 1, 3.3.).Malheureusement, la compréhension des phénomènes de transport solide en assainissementreste incomplète ; la plupart des modèles, dérivés de l’hydraulique fluviale se révèlent maladaptés (sans compter que la transformation biologique et chimique des MES, trop complexe,n’est pas prise en compte). D’une manière générale, il a été montré que les modèles les plusThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 23

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortainecouramment utilisés dans la littérature donnaient des résultats décevants à l’échelle du bassinversant [20]. Les modèles simplifiés (comme le modèle de Rochester [23]) ne donnent pasnon plus satisfaction. Les meilleurs modèles prédictifs n’apportent par ailleurs pasd’amélioration notable par rapport à un modèle à concentration constante [20]...Le seul modèle prédictif ayant donné des résultats intéressants est celui des courbes de tarageamélioré [13], [39]. A cause des difficultés précédemment énoncées, le modèle est ici utiliséen temps réel en complément d’une mesure in situ ; il n’a donc été validé qu’au titre dufiltrage en continu. La procédure de filtrage proprement dite est décrite en Partie 1, 2. (voirfigure 12) ; on se contente ici de présenter le modèle.C(t) = a · Q(t + d · δt) b (8)Avec• C : charge de pollution en g/s• Q : débit de ruissellement en m 3 /s• a : coefficient de débit spécifique au site• b : paramètre pris entre 1,5 et 3 pour un polluant particulaire, inférieur à 1 pour unpolluant dissous.• δt : pas de temps• t : instant de la prévision• d : terme de déphasage spécifique au site (positif, négatif ou nul)L’amélioration par rapport au modèle des courbes de tarage consiste en la prise en compte dudéphasage δt entre débit et pollution. Par ailleurs, le calage est ici adapté en continu, ce quiexplique en bonne partie la qualité des résultats.2.2.3. Autre intérêt de la mesure de pollution en assainissementL’estimation de la pollution déversée est une nécessité réglementaire ; il est toutefois possibled’aller plus loin dans le diagnostic permanent : une mesure de pollution filtrée en continu peutégalement servir à évaluer des débits d’ECP 10 de façon relativement simple [29] : la chargedes eaux usées étant supposée constante, ses variations sont imputées à des phénomènes dedilution par des eaux claires (eaux d’infiltration ou de pluie). Un simple rapport permet alorsde déterminer la proportion d’eaux parasites. Bien que l’hypothèse de base puisse semblersimpliste (expérimentalement, on observe par exemple que « pour les petites pluies de 5 à 10mm, la concentration en MES des RUTP est proche de la concentration en MES en tempssec » [Cornier et al., cité dans [8]]) elle est suffisamment intéressante pour être mise en avantdans le cadre du diagnostic permanent des réseaux : on observe effectivement des fluctuationsjournalières de la turbidité dans le cas de mesures au pas de temps horaire [29].10 Eaux Claires ParasitesPage 24 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)3. Traitement et acquisition des données3.1. PréambuleLa figure 11 présente les principaux éléments d’une chaîne de mesure en assainissement :Figure 11 - Synoptique d'acquisition et de gestion des données (RTC : Réseau Téléphonique Commuté)(extrait de Hamioud, 2007 [18])Remarque : la figure 11 propose de recourir au réseau téléphonique pour la transmission desdonnées, mais il peut aussi s’agir de réseau ADSL, GSM, etc.Le traitement des données peut être réalisé à deux échelles différentes :• au niveau local, il s’agit de choisir une stratégie d’acquisition performante, mais ausside retenir les capteurs de manière à fiabiliser, et éventuellement filtrer les mesures,• la gestion centralisée des données, qui est généralement réalisée grâce au traitementsemi-automatique inclus dans des logiciels dédiés à l’autosurveillance des réseaux.3.2. Stratégie d’acquisition locale [36]Dans le cadre de la surveillance des réseaux, la gestion est réalisée en temps différé.Toutefois, les données se doivent d’être rapidement disponibles « ne serait-ce que pour jugerdu bon fonctionnement du dispositif de mesure et détecter rapidement les anomalies, lesdysfonctionnements et les pannes. Un dispositif de télétransmission des données locales versun poste central devrait constituer la règle ».Il existe toutefois des cas où la gestion doit se faire en temps réel, notamment en ce quiconcerne les mesures qualitatives. En effet, la mesure des RUTP passe systématiquement parl’asservissement d’un préleveur automatique au débit (au moins pour les campagnesd’étalonnage) : l’expérience montre qu’une stratégie d’échantillonnage à pas de temps fixe estinsuffisante pour suivre une pluie. Il faut donc asservir le préleveur au débit déversé, ce quiimpose un calcul en temps réel. Pour un suivi fin de ces variations, une acquisition du débit àun pas de temps de l’ordre de la minute ou moins peut alors être nécessaire. Au contraire,pour les cas où l’on recherche une simple tendance des phénomènes (mesure d’un débit pourévaluer des eaux claires parasites par exemple), un pas de temps d’acquisition de cinq à sixminutes est suffisant. Il s’agit en effet de ne pas saturer le poste central avec des donnéesinutiles (une mesure de débit par hauteur-vitesse avec une acquisition d’une minute généreraittout de même 2880 valeurs journalières...)A l’inverse de la fréquence d’acquisition, on définit une cadence de scrutation du capteur quidoit toujours être la plus importante possible, hormis dans le cas où l’alimentation du capteurest assurée par batterie. Cela correspond à la fréquence à laquelle le capteur évalue lagrandeur à mesurer sans l’acquérir forcément. Cela permet notamment au capteur den’enregistrer des valeurs que lorsqu’il y a une variation sensible de la grandeur à mesurer. OnThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 25

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortainelimite ainsi la saturation du poste central avec des informations inutiles sans sacrifier à larésolution temporelle. Le capteur peut également mesurer la même grandeur plusieurs fois parminute et n’acquérir que la moyenne sur le pas de temps d’acquisition. Plus la cadence descrutation est importante, plus le capteur sera apte à repérer une forte variation de la grandeur.On peut également développer des stratégies d’acquisition plus complexes, asservies à la foisà un pas de temps, et au débit : en conditions normales (typiquement le temps sec pourl’autosurveillance), on se contente d’une fréquence d’acquisition très basse. Cela permetnotamment de surveiller la dérive des capteurs. En cas d’apparition de conditions plus« intéressantes » (temps de pluie), on augmente la fréquence d’acquisition en asservissant lecapteur au débit. De tels systèmes sont plus complexes à gérer et doivent comprendre desseuils de démarrage et d’arrêt distincts pour éviter des arrêt/démarrage rapprochés inutiles.Dans le cas du lancement d’un système de mesure, on préférera tester la chaîne detransmission avec de très faibles pas de temps tant en scrutation qu’en acquisition. Lastratégie d’acquisition définitive sera mise en place postérieurement.3.3. Traitement local des donnéesDeux traitements de données sont possibles à l’échelle locale. L’un a pour objectif de pallierles anomalies de capteurs (technique dite de redondance) alors que l’autre permet de filtrerdes données bruitées.Deux types de redondances sont appliqués en assainissement : le principe consiste à évaluerune même grandeur grâce à plusieurs procédés. Le cas le plus simple, mais aussi le plusonéreux, consiste à doubler les capteurs [17] : « une façon efficace pour valider les mesuresest de multiplier les chaînes de mesure. Cette redondance des mesures est dite matérielle.Dans le cas de deux capteurs qui mesurent une même variable, une différence entre les deuxmesures supérieure à un certain seuil, est un indicateur de présence de défaut » [18].Toutefois, le prix des capteurs en assainissement restreint fortement cette technique. Onpréfère souvent corréler plusieurs capteurs qui, initialement, ne sont pas dédiés à laredondance : par exemple, deux débitmètres placés à quelques centaines de mètres sur lamême conduite… (Ce type de traitement de données ne relève donc plus de la gestionlocalisée mais de la gestion centralisée ; on y reviendra en Partie 1, 3.4.).Plus souvent on emploie avantageusement la redondance dite analytique, plus économe enmoyens financiers et techniques. Au lieu d’employer des capteurs supplémentaires, elle sebase sur la construction de modèles : il peut s’agir d’utiliser une courbe hauteur-débit pourdétecter les défaillances d’un capteur de vitesse sur un débitmètre hauteur-vitesse, unecorrélation turbidité – débit, un modèle pluie-débit en plus d’un débitmètre…Ces techniques permettent d’obtenir des valeurs avec le meilleur degré de fiabilité possible etd’identifier les dysfonctionnements des capteurs : elles rendent possible l’utilisation devaleurs de substitution quand une anomalie a été identifiée. On prendra toutefois garde à nepas tomber dans l’excès qui consiste à systématiser la redondance matérielle. (On préciseradans toute étude d’instrumentation quels capteurs sont destinés à la redondance matérielle).Pour faciliter le traitement des données, un filtrage peut s’avérer nécessaire. Le but n’est plusici de fiabiliser les données, mais de traiter le signal pour l’utiliser convenablement. En effet,« la mesure de turbidité est systématiquement perturbée par des pics instantanés […]. Il estindispensable d’éliminer ces valeurs non représentatives pour déterminer la turbidité d’uneeau usée. La stratégie recommandée consiste à acquérir des données à pas de temps courts,Page 26 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)puis à traiter le signal pour éliminer ces valeurs aberrantes » [34]. On notera qu’effectuer unsimple calcul de moyenne pour lisser la courbe de valeurs bruitées n’est pas acceptable : dansle cas de la turbidité, on observe que 12% des valeurs moyennes horaires calculées de cettemanière sont erronées du fait de la prise en compte des erreurs de mesure [29].Deux types de filtrages sont généralement employés en assainissement : des filtres directs, etdes filtres basés sur des modèles prédictifs.Les filtres directs agissent par le biais de paramètres prédéfinis : il s’agit généralement deseuils de variation d’une donnée sur l’autre. Lorsque le gradient est trop important, la donnéeest considérée comme aberrante et est rejetée. De tels filtres peuvent facilement êtreparamétrés in situ. D’autres filtres, plus complexes, sont regroupés dans les logiciels dédiés àl’autosurveillance, et utilisés après rapatriement des données. On notera que le système defiltre en continu avec système de seuils peut (et doit) être paramétré expérimentalement : sil’on considère le bruitage des données comme le résultat d’artefacts aléatoires, deux appareilsdistincts n’ont qu’une faible probabilité de produire des anomalies simultanées. En doublanttemporairement les capteurs, on peut ainsi distinguer les anomalies des variations réelles de lagrandeur mesurée ; le choix du seuil de rejet des données est alors fait en conséquence. (Detels filtres sont aussi employés à l’échelle des postes centraux, voir Partie 1, 3.2.4.).La technique de filtrage reposant sur l’emploi de modèles prédictifs est complètementdifférente. Il s’agit généralement de comparer la cohérence entre ce modèle et la mesure [13],[39]. Cette comparaison est effectuée par le biais d’un modèle autorégressif dont lesparamètres sont calculés grâce à un filtre de Kalman. Le principe est décrit dans la figure 12 :Figure 12 - Procédure de filtrage / validation en continu (d'après Temimi et al. 2002 [13] )Ce principe de filtrage – validation de données en continu est repris sous plusieurs formessuivant le contexte. On pourra se référer à [13], [18].3.4. Logiciels de surveillance des réseauxLe traitement centralisé des données issues de l’autosurveillance est généralement effectué parle biais de logiciels spécifiques. Les principaux sont les suivants [16]:• EMMA développé par la SAFEGE,• IRENE développé par le centre SITE de l’Ecole des Mines de Saint-Étienne,• MINAUTOR développé par l’Agence de l’Eau Loire Bretagne,Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 27

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine• SANDRA mis au point par le Centre International de Recherche Sur l’Eau etl’EnvironnementCes logiciels ont des spécificités qui leur sont propres, mais quasiment tous permettent lavalidation de données (exception faite de IRENE). Il s’agit souvent de filtres plus complexesque ceux précédemment évoqués : filtre de Fraser pour des données peu bruitées ; filtresfréquentiel, médian, ébarbeur winsoriseur, linéaire ou quadratique pour des données bruitées[18]. Ces filtres permettent généralement de classer les données en trois catégories : donnéefiable, donnée douteuse ou donnée rejetée (diverses variations existent comme donnéelacunaire, donnée aberrante, etc.) [21], [24], [31]. Suivant le logiciel utilisé, les donnéesrejetées peuvent ensuite être remplacées par des données estimées plus fiables (reconstructiongrâce à des chroniques par exemple). On notera que le traitement des données est de type semiautomatique : les données rejetées et validées sont automatiquement traitées, alors que lesdonnées douteuses nécessitent l’intervention d’un agent pour valider le traitement.Certains logiciels sont capables de corriger automatiquement la dérive des capteurs grâce àl’observation de chroniques hebdomadaires ou mensuelles. Ce type d’outil reste trèsappréciable mais n’est pas forcément indispensable lorsque la redondance matérielle et/ouanalytique est bien employée,. Cela fait du logiciel d’autosurveillance un outil nonnégligeable dans la gestion d’un parc métrologique.Les données sont ensuite stockées dans une base de données. « Les outils associés à la base dedonnées doivent […] permettre un rééchantillonnage des données, permettant de reconstituerdes valeurs pour n'importe quel instant. La formule d’interpolation doit tenir compte du moded'échantillonnage d'origine, et en particulier du mode d'intégration avant enregistrement »[18].Page 28 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Partie 2 : Application à la CAB1. Etat des lieux sur les 2 communautés d’assainissementLes deux agglomérations d’assainissement concernées par l’étude sont celles de Belfort et deBavilliers. On enregistre sur les deux stations les arrivées d’effluents suivants (pour l’année2007) :DBO5 moyenne (en EH 11 DBO5 moyenne sur la semaine)la plus chargée (en EH)Belfort 73 000 117 000Bavilliers 5 300 8 700Tableau 4 - Agglomérations d'assainissement étudiéesD’autre part, on enregistre en moyenne un taux d’ECP de 100% sur les deux agglomérations.L’agglomération de Belfort compte actuellement 31 DO (dont le DO en tête de station et untrop plein de bassin de rétention ; tous deux sont d’ores et déjà équipés pourl’autosurveillance). L’agglomération de Bavilliers compte 3 DO. On notera que le réseau deBavilliers est entièrement séparatif en théorie (la pratique justifie tout de même l’emploi de 3DO) alors que le réseau de Belfort est mixte (on rencontre les mêmes problèmes qu’àBavilliers pour les parties en séparatif).Remarque : Etant donné le temps imparti pour l’étude, elle s’est concentrée sur l’équipementdes DO (par opposition à celui des réseaux), point sur lequel la CAB a le plus gros retard.L’instrumentation proposée en Partie 2, 3. est toutefois pensée de manière à concilier les deuxobjectifs (quand cela est envisageable avec une précision acceptable).1.1. Evaluation du régime juridique des DOLe régime juridique des DO dépend de la charge brute de pollution organique qu’ilsvéhiculent. En l’absence d’un modèle de la pollution transitée par le réseau, il n’a pas étépossible de calculer cette valeur dans l’absolu ; on s’est contenté d’évaluations sur la base durégime moyen de temps sec.Pour cela, on a évalué les populations raccordées grâce aux données d’autosurveillance desstations d’épuration de la CAB. Une estimation plus fine (à l’échelle des collecteurs) s’estbasée sur :• Le SIG de la CAB (sens d’écoulement en temps sec a priori, localisation descollecteurs)• Les estimations de populations de l’INSEE rapportées aux habitations(orthophotographies datant de 2003, cadastre récent…)• La liste des industries polluantes (DBO5) basée sur une étude de l’ASsociation descollectivités COmtoises pour la MAîtrise des Déchets et de l’Environnement [2] et lesdossiers de la DRIRE.Cette estimation a abouti à une charge à l’exutoire de 7200 EH et de 76800 à 81800 EH surles agglomérations respectives de Bavilliers et Belfort, ce qui montre la cohérence desmodèles avec les chiffres avancés par la CAB. On notera toutefois une surestimation de ce11 Equivalent HabitantThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 29

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortainemodèle ; cela peut venir de la non prise en compte des fuites par la CAB (mesures en tête destation) comme des défauts du modèle.Cet état des lieux a permis de dresser un synoptique des réseaux présentant les principauxnœuds et ouvrages, ainsi que la charge brute moyenne véhiculée (Annexe 5). Le tableau 5présente les 15 DO retenus pour l’autosurveillance réglementaire sur la base de ces résultats.Agglomération DésignationDOPopulationRaccordéeRejetsindustriels(EH)Charge brutede pollutionorganique (EH)Mesure dudébitEstimationde lapollutionBavilliers DO2 3900 0 3900 Estimation NonBavilliers DO3 3000 0 3000 Estimation NonBelfort Lavandières 5400 0 5400 Estimation NonBelfort Alsace 7800 0 7800 Estimation NonBelfort Magasin 6700 0 6700 Estimation NonBelfort Strolz 4300 0 4300 Estimation NonBelfort Abreuvoir 21300 0 21300 En continu OuiBelfort Corbis 25800 0 25800 En continu OuiBelfort Théâtre 27500 0 27500 En continu OuiBelfort Marseille 15 3800 11000 / 16000 14800 / 19800 En continu OuiBelfort Marseille 14 4100 11000 / 16000 15100 / 20100 En continu OuiBelfort Moulin 4500 11000 / 16000 15500 / 20500 En continu OuiBelfort Degombert 14100 11000 / 16000 25100 / 30100 En continu OuiBelfort Foyer 14500 11000 / 16000 25500 / 30500 En continu OuiBelfort Leclerc 18500 11000 / 16000 29500 / 34500 En continu OuiTableau 5 - Flux journaliers sur les DO étudiés1.2. Nomenclature des DOCes DO ont été classés selon la méthode préconisée par le guide technique sur les DO [8]. Letableau 6 recense les principales informations recueillies.On notera que les DO Alsace et Lavandière concentrent les RUTP dans une même conduiteEP ; les apports en EP entre les deux déversoirs sont négligeables.Remarque : La description des DO est réduite au strict minimum dans le présent rapport. Lelecteur est invité à se reporter à l’annexe 8 pour plus de précisions ; il y trouvera des photos etdes schémas des ouvrages. Pour plus de commodité, les correspondances entre les différentesparties du mémoire et l’annexe 8 sont indiquées dans les titres.On adopte le code couleur suivant dans les schémas présentés dans le corps du mémoire etdans les annexes :• Conduite verte : égout unitaire• Conduite rouge : égout séparatif (eaux usées)• Conduite bleue : égout séparatif (eaux pluviales) ou déverse de DO.Page 30 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)DONatureNature de lacrêtedéversanteRemarquesMilieurécepteurDO2 Trou dans le mur Clapet anti-retour DouceDO3 Trou dans le mur Pas de clapet anti-retour DouceLavandières Latéral à seuil basSeuil court²,épaisPas de clapet anti-retour SavoureuseAutre à seuil briséPlusieurs conduitesAlsacedouble (conduite eauxd’amenée, fonctionnementSeuil épaispluviales suspenduecomplexeSavoureusedans l’ouvrage)Pas de clapet anti-retourMagasinLatéral à seuil basSeuil court 2 ,épaisStrolz Frontal Seuil épaisAbreuvoirCorbisThéâtreMarseille15Marseille14MoulinAutreLatéral à seuil basLatéral à seuil basTrou dans le murLatéral à seuils hauts(seuil double)Trou dans le murSeuil court 2 ,épaisSeuil court 2 ,épaisSeuil court,épaisSeuil court,épaisDegombert Autre (contre pente) AucuneFoyerLeclercLatéral à seuil basDeux fonctionnements :latéral à seuil haut ouautreSeuil court 12 ,épaisSeuil court,minceClapet anti-retourLe DO est en cours dedéplacement.Clapet anti-retourDeux conduites d’amenéeRadier discontinuClapet anti-retourClapet anti-retourChambre de déversecomplexeClapet anti-retourPas de clapet anti-retourDécharge dans un égout EPClapet anti-retourDeux conduites d’amenéeDécharge dans un égout EPPas de clapet anti-retourFonctionnement à contrepentepar mise en chargeDéversement par temps secClapet anti-retour sur laconduite de déchargePas de clapet anti-retourInfluence aval de vannesmotorisées : plusieurscheminements des eauxpossiblesTableau 6 - Caractéristiques géométriques des DO étudiésSavoureuseSavoureuseSavoureuseSavoureuseSavoureuseCanal desforgesCanal desforgesCanal desforgesSavoureuseSavoureuseSavoureuse12 Ces seuils n’ont pas de réelle crête ; il s’agit de collecteurs encastrés dans le collecteur principal de manière àfaire coïncider les parties supérieures (voir figure 13)Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 31

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine2. Fonctionnement hydraulique des DOLe classement géométrique des DO a permis de constituer trois catégories parmi les DOétudiés : des DO à seuil latéral et court, des DO de type « trou dans le mur » et des DOcomplexes. Le fonctionnement hydraulique des deux premières catégories peut a priori êtreapproché par la modélisation 1D, dans la mesure où aucun point singulier n’existe (courburede la canalisation, confluence des réseaux…) Pour les déversoirs les plus complexes, seulel’approche de la modélisation 3D peut prétendre aboutir à des lois de déversement fiables[19]. Ces outils ne sont toutefois pas disponibles à la CAB ; on étudiera donc ces derniersdéversoirs au cas par cas. D’autre part, la CAB ne dispose pas de modèle hydraulique desréseaux ; cela est problématique dans le cas des confluences de canalisations (part des débitsarrivant sur chaque canalisation inconnue…). Le cas des DO ayant des apports latéraux(autres que branchements particuliers) sera également traité au cas par cas.Il convient avant tout d’étudier l’impact du milieu récepteur sur les conduites de décharge(influence aval par intrusion du milieu dans le réseau ou fermeture des clapets anti-retour).Les divers cours d’eau situés sur le territoire de la CAB ont des comportements complètementdifférents :• La Douce située à Bavilliers est très sensible aux pluies locales : on peut s’attendre àce que les crues et les déversements soient simultanés, ce qui pose le problème desinfluences aval.• La Savoureuse située à Belfort est généralement trop basse pour influer sur les réseauxd’assainissement ; les fortes crues sont dues à la fonte des neiges, qui n’intervient apriori pas en même temps que les déversements (liés aux pluies locales). L’influenceaval causée par la Savoureuse est donc assez limitée pendant les périodes de déverse eton n’en tiendra pas compte.• Le canal des forges situé à Belfort est peu sensible aux pluies ; il est alimenté par uneprise d’eau sur un étang jouant le rôle de bassin tampon. L’influence aval est doncthéoriquement négligeable.On notera que la CAB n’est pas dotée de modèle hydrologique : il n’est donc pas possible deprévoir les gammes de débits observés. Les seules estimations qui seront présentées ci-aprèsseront donc basées sur des laisses de plus hautes eaux ou des modèles simplifiés (modèle deCaquot).2.1. DO « trous dans le mur »Les conduites de déverse de ces DO sont généralement de diamètre réduit (diamètre 300 mmau maximum) ; leur fonctionnement est assimilé à celui d’un orifice. Lorsque les influencesaval ne perturbent pas les écoulements, des lois assez simples peuvent être calées (cas du DOMarseille (15)). La situation se complique quand des influences aval sont suspectées : les loisd’orifice s’appuient sur des paramètres tels que la vitesse à la sortie, ce qui rend difficile lediagnostic hydraulique. Seule une approche expérimentale par vélocimétrie peut fournir uneloi de fonctionnement fiable ; les ouvrages concernés sont les DO n°2, n°3 et Moulin.2.2. DO latérauxOn a déjà signalé que la totalité des DO étudiés était à crête courte. Dans ce cas, « il n’y a pasde ressaut dans le déversoir » [8] ; de nombreux modèles 1D sont alors exploitables, etnotamment des modèles théoriques reposant sur la conservation de l’énergie spécifique(dissipée par les ressauts hydrauliques).Page 32 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)On a également fait remarquer que sur plusieurs DO latéraux, le seuil est épais et constituépar la canalisation de déverse elle-même (figure 13). Cela entraîne un écoulement pluscomplexe que sur un DO latéral classique :• La hauteur de crête peut être variable dans l’espace si la section de la canalisation dedéverse n’est pas rectangulaire (cas des DO Lavandières et Foyer).• La canalisation principale et la canalisation de décharge ne sont plus hydrauliquementdéconnectées. Sur un DO latéral classique, c’est le rôle de la crête déversante. Dans lecas pratique de la CAB, on est donc amené à considérer deux cas :o pente forte dans la conduite de décharge : à moins d’une influence avalconséquente, on observe un écoulement torrentiel dans la canalisation dedécharge. Dans ce cas, l’écoulement est conditionné par celui de la conduiteprincipale ; la hauteur d’eau à l’amont de la canalisation principale est égale àla hauteur critique. Les lois habituelles de déversement sont alorsthéoriquement employables.o pente faible dans la conduite de décharge : l’écoulement est alors fluvial dansla conduite. La ligne d’eau se calcule depuis l’aval (hauteur critique ou surfacelibre du milieu récepteur) ; pour un débit donné, on peut ainsi calculer lahauteur d’eau correspondante sur le seuil. C’est la hauteur d’eau du milieurécepteur qui conditionne le débit déversé. Les lois habituelles ne sont plusemployables.Figure 13 - Ecoulement sur un seuil épais sans « crête » à pente forte (gauche) et à pente faible (droite)suffisamment long pour atteindre un régime permanent uniformeLa méthode générale de calcul des courbes de fonctionnement des DO latéraux de Belfort seradonc la suivante :• existence d’une crête déconnectant canalisation principale et canalisation dedécharge (DO Leclerc, Marseille (14), Théâtre) : utilisation des modèles classiques(empiriques ou théoriques) : logiciel CALDO, lois de déversement empiriques …• pas de crête déversante (DO Lavandières, Magasin, Corbis, Foyer) :o l’écoulement est à pente faible ou en charge : utilisation de la théorie del’hydraulique (courbes de remous sur la canalisation de décharge)o l’écoulement est à pente forte : utilisation des modèles classiques sur le seuil(CALDO, etc.…)Cependant, comme chaque DO possède un environnement hydraulique qui lui est propre, lastratégie employée pour évaluer leur fonctionnement sera adaptée au cas par cas. Le DOLavandières sera pour cette raison traité avec le DO Alsace, en Partie 2, 2.3. ; de même, lesDO Corbis et Théâtre seront rapprochés du DO Abreuvoir dans la même partie ; le DOLeclerc pouvant également fonctionner en DO frontal suite à des fermetures de vannes, il seraclassé en DO complexe.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 33

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine2.2.1. Ecoulements dans les conduites de déverse des DO sans crêtesDO latérauxsans crêteEcoulement à pente(quasiment) critiqueEcoulement àpente forteEcoulement à pente faibleMise en chargede la conduiteprincipaleMagasin ∅ ∀ Q ∅ ProbableFoyer ∅ ∀ Q ∅ ProbableLavandières ∅ Q déverse ≤ 0,60 m 3 /s Q déverse ∈[ 0,60 ; 0,64 ] m 3 /s ProbableCorbis Q déverse ≤ 0.5 m 3 /s ∅ Q déverse ∈[ 0,5 ; 2,0 ] m 3 /s NonTableau 7 - Ecoulements dans les conduites de déverse des DO latéraux sans crêtes2.2.2. DO Magasin (instrumentation p.47 ; annexe 8 : p.82-83)Ce DO ne présente pas de singularités ; son environnement hydraulique est reporté sur lafigure 14 :NordDOØ 400Dalot rectangulaire 700/800« U » 1000/830Ø 800Ovoïde 600/900Dalot rectangulaire 700/800Figure 14 - Environnement du DO MagasinL’écoulement dans la canalisation principale est fluvial (et donc piloté par l’aval). Toutefois,cela entraîne quelques difficultés : en effet, à l’aval de l’ovoïde se situe un gros collecteur.Les laisses de crues qu’on y trouve montrent que des influences aval sur le DO Magasin sontprobables. Malheureusement, il est impossible d’anticiper cette influence.La création d’un modèle de calcul fonction des conditions aux limites aval de l’écoulementpallie ce problème. Dans ce cas, on a choisi d’exprimer le modèle en fonction de deuxvariables : la hauteur aval et le débit conservé. Le modèle exploite la loi de déversement deHager (équation (6)) couplée à la conservation de la charge spécifique sur le seuil. On a choisid’interpoler les solutions par une fonction de deux variables ; la figure 15 montre les résultatsobtenus.Le modèle est valide pour des débits déversés inférieurs à 500 l/s : au-delà, la hauteur critiquesur le seuil est supérieure au « plafond » de la conduite de décharge alors que l’écoulement esttoujours à pente forte (voir figure 13). On observe donc une mise en charge (au moinspartielle) de la conduite de déverse et la loi de Hager n’est plus valable.Page 34 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Q d estiméQ conservéh DOFigure 15 - Loi de fonctionnement du DO Magasin (unités SI : m 3 /s et m)Dans le cas où l’influence aval ne se fait pas sentir, on peut évaluer totalement lefonctionnement du DO ; on trouve un débit de référence de près de 350 l/s.2.2.3. DO Foyer (instrumentation p.54 ; annexe 8 : p.96-97)Les caractéristiques des canalisations de ce DO sont consignées sur la figure 16 :Ov 1000/1300DOSemi circulaireaplati à cunettes1000/500Ø 800Ov 500/750Ov 600/900NordOv 1000/1300Ov 500/750Figure 16 - Environnement du DO FoyerOn notera qu’à l’aval du DO se trouve une confluence du réseau : il s’agit de l’exutoire d’unlong bassin versant assez pentu. Une estimation grossière des débits montre qu’ils peuventêtre importants (800 l/s en pointe pour une période de retour annuelle) ; d’autre part, les tempsde concentrations sont assez proches de ceux du centre urbanisé de Belfort situé en amont duDO. Il est donc possible que les pics de débit des deux bassins versants arriventsimultanément sur le DO, ce qui pose quelques problèmes. En effet, l’écoulement étant fluvialdans la canalisation à l’aval direct du DO, il est certain que la confluence perturbel’hydraulique au droit du DO. Comme pour le DO Magasin, l’influence aval est totalementimpossible à chiffrer.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 35

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineOn a choisi d’exploiter le même modèle que précédemment ; toutefois, utiliser les conditionslimites aval comme inconnues est peu approprié (très court tronçon entre le DO et laconfluence). On a préféré utiliser les conditions limites amont. La fonction des deux variables(h amont , Q amont ) interpolée est présentée dans la figure 17.Q d estimé0.640%0.5Qd (m3/s)0.40.30.230%20%0.1010%0.75 0.85 0.95 1.05 1.15 1.25 1.35Qamont (m3/s)h amontQ amontQd estimé = f(Qamont)Ecart relatif (%)Qd CalDO = f(Qamont)Figure 17 - Loi de fonctionnement du DO Foyer et comparaison avec le logiciel CalDO(unités SI : m 3 /s et m)A titre de comparaison, on a également reporté la comparaison avec la solution donnée parCalDO qui représente le cas où l’influence aval est négligeable. En reprenant le lienh amont = f(Q amont ) calculé par CalDO, on peut dégrader la fonction de deux variablesQ déversé = f(h amont , Q amont ) en fonction d’une seule variable Q déversé = f[ h amont (Q amont ), Q amont ].Les deux courbes sont en théorie identiques.En pratique, on observe un écart entre CalDO et les calculs menés « à la main » ; celui-ci peutêtre mis sur le compte d’une limite du logiciel : la section utilisée par CalDO pour ledéversoir est en « U », alors qu’il s’agit en réalité d’un ovoïde. En faisant tourner le modèleavec une section en « U », on observe alors un écart moyen de 2 % avec CalDO : celaconfirme la validité du modèle utilisé.Le débit de référence du DO a été évalué à 630 l/s en couplant CalDO au modèle utilisé. Lemodèle est valable tant que la hauteur critique sur le seuil est inférieure au « plafond » de laconduite de déverse (voir Partie 2, 2.2.2.) ; cela correspond ici à un débit de décharge de2 900 l/s qui ne peut être atteint au vu des capacités de la conduite principale. On admet doncque le modèle décrit la totalité des écoulements rencontrés.Remarque : pour réaliser ces calculs, on a légèrement simplifié le DO en considérant la crêtecomme rectiligne. Dans la mesure où cela modifierait peu l’hydraulique réelle du déversoir,on propose de faire les travaux de génie civil correspondants : il s’agit de rehausser le seuil dequelques centimètres dans sa partie centrale (voir figure 18). Le calcul avec la crête réellen’est certes par infaisable, mais bien plus délicat…Page 36 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Figure 18 - Réfection du DO Foyer (section grisée)2.2.4. DO Marseille (14) (instrumentation p.51 ; annexe 8 : p.90-93)Ce DO possède la particularité de déverser dans un égout EP, via un regard de chute. Au vudes observations sur le terrain (laisses de plus hautes eaux), on a supposé que l’égout EPn’influe pas sur le DO par mise en charge du regard (voir annexe 8 pour plus de précision surla position des conduites). On pourra temporairement installer un limnimètre dans le regardpour vérifier cette hypothèse. L’environnement du DO est reporté dans la figure 19 :Ø 300Ø 400Ø 400Ø 250Ø 400Ø 200Ø 400DOØ 400Ø 500NordFigure 19 - Environnement du DO Marseille (14)Ce DO ne fonctionne que si les canalisations sont en charge ; l’écoulement est donc fluvial etpiloté par l’aval. Toutefois, les faibles pentes rencontrées ne permettent pas d’évaluer lesconditions aux limites de l’écoulement. On a donc procédé de la même manière que pour lesDO Magasin et Foyer : logiciel CalDO et code de calcul basé sur deux paramètres (on a prisici la hauteur aval, et le débit aval). On présente en figure 20 la fonction de deux variablesainsi obtenue et la comparaison avec la solution proposée par CalDO.On observe là aussi un écart entre CalDO et le modèle à deux variables dégradé ; il estprobable que cet écart ait la même origine que celui constaté sur le DO Foyer. En effet, lasection mouillée de la canalisation de débit conservé est plus complexe qu’un simple « U »(se reporter à l’annexe 8 pour plus de détails).Le débit de référence du DO a été évalué à 120 l/s en couplant CalDO au modèle à deuxvariables.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 37

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineQ d estimé0.050.0450%40%Qd (m3/s)0.030.0230%20%0.0110%00.12 0.14 0.16 0.18 0.2Qamont (m3/s)0%h avalQ conservéQd estimé = f(Qamont)Ecart relatif (%)Qd CalDO = f(Qamont)Figure 20 - Loi de fonctionnement du DO Marseille (14) et comparaison avec le logiciel CalDO(unités SI : m 3 /s et m)2.3. Autres DO2.3.1. DO Strolz (instrumentation p.48 ; annexe 8 : p.84-85)Le DO Strolz est actuellement un DO frontal à crête épaisse ; suite à des aménagements ensurface, cet ouvrage doit être déplacé et modifié. Dans l’état actuel des choses, il n’est paspossible de déterminer exactement son fonctionnement hydraulique futur. Il est prévu quel’ouvrage soit transformé en DO frontal à lame mince et à seuil bas ; il sera donc possibled’utiliser une loi de type Poleni (équation (4)) à caler. Il faudra toutefois attendre la fin destravaux pour le confirmer.2.3.2. DO Degombert (instrumentation p.53 ; annexe 8 : p.94-95)Ce DO ne possède pas de crête : il est alimenté par une canalisation à contre pente lors desmises en charges de l’écoulement. Toutefois, on observe quelques déversements de temps secet il sera donc impératif de le modifier. Le fonctionnement actuel du DO est difficile àidentifier, car il fonctionne lors d’une mise en charge de plusieurs confluences des égouts : ilfaudrait donc disposer d’un modèle hydraulique du réseau. Le fonctionnement futur du DOsera abordé en Partie 2, 3.2.8. avec une proposition de modification.2.3.3. DO Lavandières et Alsace (instrumentation p.46 ; annexe 8 : p.79-81)Le DO Alsace présente un certain nombre de points délicats :• il est situé sur une confluence des réseaux• la crête est complexeIl s’agit typiquement d’un DO dont le fonctionnement ne peut être évalué qu’en utilisant lamodélisation 3D couplée à un modèle hydrologique. Il n’est donc pas possible d’obtenir uneloi de fonctionnement acceptable.Sachant que le DO Lavandières et le DO Alsace déversent dans le même égout EP, on apréféré s’intéresser à leur exutoire commun. En effet, il est alors possible de n’instrumenterqu’une section pour suivre les deux DO. On a donc préféré s’intéresser au fonctionnementhydraulique de la seule canalisation de déverse (voir tableau 8 et figure 21).Page 38 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Tronçon Longueur Pente EcoulementtorrentielEcoulementfluvialDébit de miseen chargeAB 57,9 m 1,1 % Q ≤ 1,3 m 3 /s Ø 1,3 m 3 /sBC 50,3 m 0,76 % Q ≤ 0,9 m 3 /s Q ≤ 1,1 m 3 /s 1,1 m 3 /sCD 45,4 m 0,97 % Q ≤ 1,2 m 3 /s Ø 1,2 m 3 /sDE 20,5 m 1,0 % Q ≤ 1,2 m 3 /s Ø 1,2 m 3 /sTableau 8 - Ecoulement dans la conduite de décharge des DO Alsace et LavandièresØ 600DO LavandièresDEDO AlsaceBCAØ 800NordDalot 1600/1500Regard de chuteFigure 21 - Environnement des DO Alsace et Lavandières (conduite de décharge)Il est avéré par des laisses de crues que la conduite de déverse est susceptible de se mettre encharge. Les calculs menés montrent qu’un ressaut hydraulique est susceptible de se former auvoisinage du point B (passage d’un régime torrentiel à fluvial) pour des débits compris entre0,9 et 1,3 m 3 /s.2.3.4. DO Abreuvoir, Corbis et Théâtre (instrumentation p.49 ; annexe 8 : p.86-89)Ces trois DO sont situés sur le même égout unitaire et relativement rapprochés ( moins de 300m d’écart). En étudiant les différents tronçons de cette conduite, on s’aperçoit qu’ils ont unmême point de contrôle (voir figure 22). Il serait donc erroné de chercher à évaluer lefonctionnement de ces trois DO séparément, alors qu’ils interfèrent entre eux.Malheureusement, des apports existent entrent ces trois DO (connexion de trois canalisations,voir figure 22). Bien que les débits de pointe estimés par le modèle de Caquot soientimportants, il a été décidé de négliger leur influence. En effet, on a pu constater a posteriorique la somme de ces trois apports n’engendre pas de déversement pour des pluies de périodesde retour inférieures à 2 ans. Les caractéristiques des conduites latérales montrent qu’ellessont sous-dimensionnées pour des pluies plus importantes : les débits devraient alors êtreécrêtés et on s’attend à ce qu’aucun déversement ne soit observé. D’autre part, les temps deconcentration sur ces petits bassins versants urbains sont très courts (autour de 5 min,estimation par la formule de Terstriep) alors que l’on se situe globalement à l’aval du réseaude Belfort. Il est donc probable que les apports latéraux seront négligeables au moment où lapointe du débit amont arrive et provoque les déversements.Le point de contrôle est à hauteur fixée pour un débit donné (hauteur critique sur une rupturede pente). On en a déduit les lignes d’eau amont et aval à son voisinage.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 39

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine• DO Corbis : l’écoulement dans la canalisation de décharge est fluvial. On a négligél’effet dû à la courbure de la canalisation pour calculer une loi de déversement (detype « hauteur amont / débit déversé ») en modélisation 1D. On a également supposéque la courbure de la ligne d’eau était négligeable sur le seuil (écoulement fluvial). Laligne d’eau a été assimilée à une droite et le débit déversé a été calé sur la hauteurd’eau moyenne sur le seuil.• DO Abreuvoir : comme pour le DO Corbis, on a évalué une loi de déversement de laconduite, l’écoulement étant fluvial (via les mêmes hypothèses : modèle 1D, faiblecourbure de la ligne d’eau sur le seuil). L’écoulement étant également fluvial dans lacanalisation de débit conservé, il est piloté par le DO Corbis et les conditions limitesaval sur le seuil sont connues. Etant donné la géométrie du DO, il est peu probable d’yrencontrer un ressaut hydraulique : la charge spécifique a donc été considérée commeconstante sur le DO. La conservation de la charge spécifique couplée à la loi dedéversement obtenue permet d’estimer le fonctionnement global du DO. Toutefois, ilest impossible d’évaluer l’imprécision de cette méthode qui reste la seule àdisposition.• DO Théâtre : bien que la crête de l’ouvrage soit courte, il est certain qu’un ressauthydraulique se forme au droit du DO. En effet, le DO Théâtre est situé sur une rupturede pente : si les conditions amont sont connues (écoulement torrentiel), laconnaissance du ressaut souffre de l’imprécision sur les conditions aval (nombreuxapports latéraux etc.). Le seul outil utilisable pour évaluer le fonctionnement du DOreste le logiciel CalDO malgré ses limites (section mouillée du DO approchée par un« U » alors qu’il s’agit d’une section ovoïde).Dalot rectangulaire800/1000Dalot rectangulaire 1000/850DO CorbisØ 1000Ø 300Ov 1500/1930DO AbreuvoirDO ThéâtreOv 1500/1930NordØ 800Point de contrôleDalot semi-circulaire 2600/1200Ov 400/600Figure 22 - Environnement hydraulique des DO Abreuvoir, Corbis et ThéâtreLes outils décrits précédemment permettent de tracer les courbes de fonctionnementprésentées en figure 23 (les débits sont qualifiés d’amont et aval par rapport au groupe de DOet non pas par rapport à un DO en particulier). On notera que malgré les imprécisionsrelatives aux méthodes employées pour évaluer le fonctionnement des DO, les lignes d’eausur la canalisation principale sont assez fidèles aux laisses de plus hautes eaux. (Il est difficilede repérer les laisses sur les canalisations de déverse, bien moins accessibles, ce qui empêchede valider totalement les calculs menés).Les débits de référence retenus sont les suivants :Page 40 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)• DO Abreuvoir : 1,1 m 3 /s• DO Corbis : 3,7 m 3 /s• DO Théâtre : 1,2 m 3 /s(Les débits de référence sont ici les débits amont (donc la somme des deux débits arrivant surle DO Abreuvoir pour laquelle les déversoirs commencent à fonctionner.)Qd (m3/s)43.532.521.510.500 5 10 15Qaval (m3/s)12108642Qamont (m3/s)Qd Abreuvoir = f(Q amont)Qd Corbis = f(Q amont)Qd Théâtre = f(Q amont)00 5 10Qamont (m3/s)Q aval = f(Q amont)Figure 23 - Fonctionnement des DO Abreuvoir, Corbis et Théâtre (unités SI : m 3 /s)2.3.5. DO Leclerc (instrumentation p.56 ; annexe 8 : p.98-99)Ce DO fonctionne la plupart du temps en DO latéral à crête haute classique. Cependant, il estsoumis à l’influence de vannes motorisées qui peuvent fermer la conduite de débit conservé etmodifient son comportement, comme on peut le voir sur la figure 24 :Ø 800Ov 1000/1300DOØ 500By-pass(Ø 500)Chambre dedessablageSiphon Sud2 x Ø 400Siphon NordØ 10002 vannesmotoriséesNordØ 1200Ø 1100Figure 24 - Environnement du DO LeclercLe siphon nord est alimenté par une crête déversante plus basse que celle du DO lui-même.Lorsque les vannes sont ouvertes, le débit conservé est la somme du débit déversé dans lepremier siphon et du débit conservé dans le second siphon. Lorsque les vannes sont fermées,le DO possède un fonctionnement qui s’apparente à un DO frontal oblique : les vecteursvitesses des particules fluides sont tous orthogonaux au seuil comme le montre la figure 25.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 41

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineLe fonctionnement de l’ouvrage en DO « frontal » est évaluée à l’aide de la formule d’Aichel(équation (6)) et d’une formule de Poleni (équation (4)) ; on notera que certains paramètresutilisés restent à caler et qu’on leur a affecté une valeur par défaut. Pour le fonctionnement enDO latéral, le calcul est mené à l’aide d’une condition aux limites aval (hauteur d’eau dans lachambre de dessablage), de la loi de déversement de Hager et de la conservation de la chargespécifique. Les résultats sont reportés sur la figure 26.Conduite ferméepar les vannesSiphon nordLame déversanteFigure 25 - Lignes de courant sur le DO Leclerc avec les vannes motorisées fermées (vue de dessus)Qd (m3/s)21.81.61.41.210.80.60.40.200 0.2 0.4 0.6 0.8 1h (m)Q déversé = f(h)Q (m3/s)32.521.510.500 1 2 3Qamont (m3/s)Q déversé = f(Q amont)Q aval = f(Q amont)Figure 26 - Fonctionnement du DO Leclerc en DO frontal (à gauche) et latéral (à droite)(unités SI : m 3 /s et m)Le débit de référence du DO en latéral a été évalué à 460 l/s. On notera qu’il s’agit du débitentrant effectivement dans le DO : il ne s’agit que d’une fraction du débit amont quicomprend également le débit transitant dans le siphon nord (cela vaut également pour lafigure 26).Dans le cas où les vannes sont fermées, la formule d’Aichel ne s’applique que pour de faibleshauteurs d’eau (hauteur d’eau / hauteur de crête ≤ 0,61). Aucune formule n’existe pour deshauteurs d’eau supérieures ; le diagnostic hydraulique ne pourra être complété que par descampagnes de mesures.Page 42 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)3. Propositions d’instrumentation3.1. PréambuleDans un souci de concision, la partie qui suit ne répertorie que les principes généraux del’instrumentation des DO. Pour plus de détails (asservissements, schémas de détail et lois decalcul) on pourra se reporter à l’annexe 8. Comme les capteurs n’ont pas encore été retenus,les propositions ne sauraient être définitives : il reviendra à la personne mettant leséquipements en place de vérifier que les schémas sont cohérents avec les capteurs choisis (parexemple vérifier que le cône d’émission d’un limnimètre à ultrasons ne rencontre aucunobstacle comme on le voit sur la figure 27).Figure 27 - Influence de la largeur du cône d’émission d’un limnimètre à ultrasons3.1.1. DébitmétrieUn des impératifs de la CAB est l’entretien facile des capteurs (ce qui vaut également pour lamesure de pollution). Dans le cas de la débitmétrie, l’étude bibliographique a largementmontré que les limnimètres possédaient un large avantage sur les vélocimètres en terme defiabilité. Les limnimètres à ultrasons sont particulièrement faciles d’entretien et très fiables.Pour ces raisons, on a cherché à limiter au maximum les mesures de vitesse. Toutefois, laforme des DO de Belfort ne s’y prête pas facilement : la plupart des lois hauteur-débit établiesnécessiteront des campagnes de mesures temporaires par vélocimétrie pour en évaluer laprécision (et le cas échéant les remplacer) ; ces campagnes seront précisées en Partie 2, 4. .La seconde demande de la CAB consistait à effectuer une mesure du débit sur les plus grosDO (charge brute de temps sec supérieure à 120 kg DBO5/j) afin d’assurer le diagnosticpermanent ; pourtant, la législation ne demande qu’une estimation des débits déversés pourles ouvrages de taille « moyenne » (charge brute de temps sec comprise en 120 et 600 kgDBO5/j). On pourrait donc se contenter de mesurer les périodes de déversement (grâce à desdétecteurs de surverse) et d’estimer les débits déversés sur la base de campagnes de mesurestemporaires. On pourra retenir cette possibilité si les crédits sont insuffisants pour équiper latotalité des DO comme cela avait été souhaité au départ.On notera que de manière générale, l’instrumentation proposée ne se fait pas sur lescanalisations de décharge alors que la mesure y est réputée plus précise. Cela s’explique pardeux points :• la configuration des conduites de déverse ne le permet pas toujours, ou alors pas avecune précision suffisante : elles sont souvent sans accès existant, sinueuses ou trèslarges (d’où une imprécision sur la mesure de la hauteur)…Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 43

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine• la réglementation impose également de mesurer le débit transité aux nœudsprincipaux du réseau. Lorsque les DO sont situés sur des nœuds importants du réseau,une mesure sur la canalisation de débit conservé est un compromis intéressant : onévalue à la fois le débit transité et le débit déversé.Pour ces raisons, on a souvent privilégié la mesure dans la canalisation principale.3.1.2. Mesure de pollutionLes objectifs réglementaires sont modestes (on cherche au plus à atteindre une estimation dela pollution). Toutefois les modèles prédictifs ne sont pas encore suffisamment fiables pour sesubstituer à des capteurs de mesure en continu lorsque la législation demande une estimation.On aura recours aux turbidimètres et spectromètres afin de privilégier la fiabilité ; ils serontsystématiquement munis de systèmes autonettoyants.Il a déjà été signalé qu’une importante pollution d’origine industrielle transitait par plusieursDO. Plus précisément, il s’agit des rejets d’une industrie fromagère (« Le Francomtois »), cequi entraîne des conséquences notables sur la mesure de la pollution : la DCO des effluentsagroalimentaires est majoritairement dissoute. Il n’est donc pas évident que la mesure parturbidimètre soit appropriée. En effet, la part des effluents domestiques est non négligeable(entre 20 et 60 % de la charge brute de pollution organique de temps sec sur les DO affectés)et surtout fluctuante dans le temps : le Francomtois effectue des rejets ponctuels (nettoyagesde cuves entre autres) mais susceptibles de se produire 24h/24 et 365 jours par an : le rythmed’émission est totalement distinct de celui des effluents domestiques (deux ou trois picsjournaliers plus ou moins bien marqués). Le rapport DCO dissoute / DCO totale varie doncconsidérablement au cours d’une journée.Comme les dossiers d’autosurveillance (DRIRE) ne font pas la distinction entre DCO soluble etDCO totale , seule une campagne de mesures in situ pourra déterminer quel appareil est utilisableparmi les suivants (sur les sites où il existe des rejets industriels importants) : turbidimètre ouspectromètre UV/visible (voire spectromètre UV). Ces campagnes devront être propres auxsites à instrumenter. Comme les spectromètres restent des appareils très chers, on auraprobablement intérêt à louer les capteurs le temps de mener ces campagnes. On rappelle quel’étalonnage des capteurs de mesure en continu (quels qu’ils soient) devra différencier letemps sec du temps de pluie.Vu la différence de prix entre turbidimètres et spectromètres, il appartiendra à la CAB dedécider s’il vaut mieux réaliser une estimation très grossière de la pollution (avec unturbidimètre) ou une mesure précise (avec un spectromètre UV/visible).Remarque : concernant les DO Marseille (14), Marseille (15), Moulin, Degombert, Foyer etLeclerc, on a choisi de rédiger l’annexe 8 avec l’emploi d’un spectromètre UV/Visible (quiest théoriquement utilisable quelle que soit la composition des effluents) ; si les campagnes demesures démontrent qu’un appareil moins cher est utilisable (ou si la CAB décide de dégraderla qualité des mesures pour réduire le budget), les asservissements et calculs présentés restentvalides (on prendra toutefois garde à démarrer le nettoyage mécanique de turbidimètres sur unseuil de hauteur d’eau fiable).On se fixera des objectifs plus élevés que les objectifs réglementaires : il serait dommage dene mesurer que la pollution déversée (quelques fois par an) au vu du coût des capteurs. Onprendra donc garde à les installer de manière à comptabiliser les charges véhiculées en tempsPage 44 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)sec : on pourra ainsi calculer des bilans journaliers, intéressants au titre du diagnosticpermanent des réseaux, et les apports d’ECP d’infiltration (voir Partie 1, 2.2.3.).Afin d’améliorer la connaissance du réseau, on propose d’effectuer une estimation de lapollution déversée par les DO mineurs à moindres frais. Des campagnes de mesures réaliséesgrâce aux préleveurs automatiques peuvent suffire à caler un modèle prédictif à concentrationconstante ou un modèles des courbes de tarage amélioré (équation (8)). On a déjà signalé quede tels modèles seront incapables de reproduire des évènements exceptionnels (à moins d’êtreajustés en continu, ce qui n’est pas le cas ici) ; ils seront toutefois suffisants pour appréhenderle fonctionnement du réseau vis à vis des évènements pluvieux de faible intensité. Les seulsfrais engendrés seront liés aux analyses des prélèvements en laboratoire : une fois les loisd’étalonnage arrêtées sur les DO majeurs (mesure en continu), les préleveurs portablespourront être utilisés à cet escient.Dans un premier temps, on pourra évaluer la pollution déversée par les plus gros déversoirs dela CAB de la même manière (notamment si l’acquisition du matériel se fait en plusieurs fois).Toutefois, ces modèles sont inadaptés à un suivi d’aussi gros ouvrages par temps de pluie : ilne s’agit que d’une solution temporaire.Remarque : si la mesure de pollution sur le réseau de Belfort est délicate, c’est en grandepartie à cause du rejet industriel. Une alternative simple (au moins sur le plan théorique)consisterait à effectuer le traitement des eaux usées industrielles sur place au lieu de les rejeterdans le réseau. Cela apporterait plusieurs avantages :• pas d’obligation réglementaire d’évaluer la pollution sur les DO Marseille (15),Marseille (14) et Moulin,• mesure de la pollution sur tous les déversoirs concernés par des turbidimètresuniquement : un seul type d’appareil, entretien simplifié et coût largement réduit,• calage plus aisé de la mesure de pollution (le calage d’un spectromètre est effectué enlaboratoire par le constructeur sur la base d’une campagne de mesures).Dans tous les cas, il serait judicieux de faire participer le Francomtois aux frais engendrés parla mesure de pollution (un turbidimètre coûte quelques milliers d’euros, un spectromètreUV/Visible entre 15000 et 30000 euros : l’impact du rejet industriel est loin d’êtrenégligeable).3.2. DO n°2 et n°3 (fonctionnement p.32 ; annexe 8 : p.77-78)La législation n’impose qu’une estimation du débit et des périodes de déverse. On a déjàsignalé qu’aucune loi ne permet d’anticiper le fonctionnement de ces DO à cause de leurexutoire. Pour de tels diamètres (Ø 200 mm) il est recommandé d’employer des vélocimètresélectromagnétiques (voire des capteurs à cordes ultrasoniques). L’installation se fera commeindiqué sur la figure 28.Remarque : la transformation de la conduite de décharge est nécessaire pour obtenir unpassage en charge. Il est ainsi possible d’utiliser des capteurs moins chers qu’en casd’écoulement à surface libre. Le détecteur de surverse est facultatif, mais permet de fiabiliserla mesure (en cas d’obstruction de la canalisation notamment, on observe une surverse maispas de vitesse d’écoulement). Il reste donc fortement recommandé.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 45

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineDétecteur desurverseDébitmètreVanne de fondpour curageFigure 28 - Equipement des DO n°2, n°3 et Moulin pour la débitmétrie (vue en coupe)3.3. DO Lavandières et Alsace (fonctionnement p.38 ; annexe 8 : p.79-81)La législation n’impose qu’une estimation du débit et des périodes de déverse. On choisit dequantifier les déversements à partir d’une mesure sur la canalisation commune de déverse.L’existence d’un ressaut hydraulique se déplaçant au voisinage du nœud B (voir figure 29 etPartie 2, 2.3.2.) impose de mesurer le débit au voisinage du point C (on observe une chuted’eau au point A et le point D est situé sur un coude de la canalisation). L’environnementhydraulique est suffisamment simple pour que la mesure de débit se fasse grâce à une seulemesure de hauteur, d’autant que les objectifs réglementaires sont modestes (évaluation dudébit). On propose de mesurer le débit grâce à un limnimètre à ultrasons dans le regard dupoint C (comme pour le DO Marseille on prévoira un réglet sur la paroi du regard). Pourquantifier les périodes de déverse des deux DO de manière séparée, deux détecteurs desurverse seront installés (voir figure 29).Au premier abord, le point de mesure, situé sur une rupture de pente, peut sembler inadapté ;toutefois, la courbure de la ligne d’eau est assez faible car les pentes des canalisations restentdu même ordre de grandeur (à l’amont et à l’aval). Par ailleurs, il a été montré qu’unlimnimètre à ultrasons était tout à fait capable de mesurer la hauteur d’eau sur des surfacesincurvées [27], ce qui justifie (en partie) le choix du point de mesure.On notera qu’il est possible qu’un débit arrive dans la canalisation de déverse sans pour autantqu’il n’y ait eu déverse des DO Alsace et Lavandières : des DO mineurs sont connectés sur lamême canalisation. On mesure ainsi la totalité des déversements, le déclenchement (ou non)des détecteurs de surverse permettant d’identifier les DO concernés.Page 46 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Détecteur de surverseDO LavandièresCDEDO AlsaceBLimnimètre à ultrasonsADétecteur de surverseNordFigure 29 - Equipement des DO Alsace et Lavandières pour la débitmétrie (vue en plan)3.4. DO Magasin (fonctionnement p.34 ; annexe 8 : p.82-83)La législation n’impose qu’une estimation du débit et des périodes de déverse. On a déjàsignalé que le fonctionnement du DO était difficile à déterminer du fait de l’influence aval. Enoutre, des approches expérimentales (comme un étalonnage d’une loi hauteur / débit) sontdifficiles à mettre en place : les dimensions de la conduite de déverse (1 m de large pour 30cm de haut) entraîneraient de fortes imprécisions pour des mesures de déversements faibles àmoyens.Limnimètre à ultrasonsPlaque réfléchissanteFigure 30 - Installation d’un limnimètre à ultrasons dans un regard en neutralisant la zone morteCe DO cumule également d’autres inconvénients vis à vis des capteurs :• la profondeur du réseau est probablement insuffisante pour mesurer des mises encharge avec un limnimètre à ultrasons (phénomène de zone morte) au droit du DO :nécessité d’intégrer un réflecteur si l’on souhaite utiliser ce capteur (voir figure 30),• le tracé de la conduite amont (simplifié sur les schémas) est en réalité assezcomplexe : la mesure n’y est pas possible sans changement majeur,• on observe un fort dépôt dans la canalisation directement à l’aval du DO. Touteinstrumentation à l’aide d’un vélocimètre intrusif est donc à proscrire ; uneinstrumentation par limnimètre à ultrasons est envisageable mais devraits’accompagner d’opérations de curage régulières…Aucune instrumentation véritablement satisfaisante n’est possible ; on propose d’instrumenterle DO en cohérence avec le modèle hydraulique présenté en Partie 2, 2.2. afin de tenir comptedes influences aval déjà signalées. Deux configurations sont possibles :• mesure du débit à l’aval direct du DO par deux mesures de hauteur d’eau (courbes deremous(équation (2))) avec des limnimètres à ultrasons. Un des limnimètres mesureégalement la hauteur d’eau moyenne sur le DO. Cette instrumentation est réduite (2limnimètres seulement). Toutefois, le dépôt observé sur le site va imposer desinspections et curages fréquents pour éviter que la mesure de hauteur ne soit faussée ;Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 47

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine• mesure du débit plus à l’aval du DO de la même manière. Le tronçon possède unepente plus forte, ce qui empêche les dépôts. La mesure du niveau d’eau sur le DO serafaite comme dans l’autre configuration. On utilise donc 3 limnimètres.Réflecteur (plaquemétallique)DO MagasinNordLimnimètre à ultrasonsLimnimètre à ultrasons (1)Détecteur de surverseLimnimètre à ultrasons (2)Limnimètre à ultrasons (2)Figure 31 - Propositions (1) et (2) d’équipement du DO Magasin pour la débitmétrie (vue en plan)Etant donné les contraintes qu’impose la première configuration, on recommande fortement laseconde instrumentation (pour cette raison, seuls des compléments sur la secondeinstrumentation sont reportés en annexe 8).Remarque : pour l’instrumentation (2), le point de mesure du débit aval peut paraître assezéloigné du DO (près de 80 m, risque de décalage temporel entre les différents points demesure) ; toutefois, la solution du modèle présentée en figure 15 est assez peu sensible audébit aval, ce qui valide la proposition.3.5. DO Strolz (fonctionnement p.38 ; annexe 8 : p.84-85)La législation n’impose qu’une estimation du débit et des périodes de déverse. Le DO estactuellement en chantier ; il sera modifié en DO frontal à crête mince. On recommande defaire la mesure de débit déversé à l’aide d’un limnimètre à ultrasons comme indiqué sur lafigure 8. Comme pour les autres DO, un détecteur de surverse pourra être intéressant pourfiabiliser la mesure. On a reporté les emplacements des capteurs sur la figure 32. On proposed’utiliser la loi de déversement de Poleni (équation (4), voir Partie 2, 2.3.1.). On pourraeffectuer le calage de la loi en installant un débitmètre temporaire dans la canalisation dedécharge.Limnimètre à ultrasonsNordDO StrolzDétecteur de surverseFigure 32 - Equipement du DO Strolz pour la débitmétrie (vue en plan, schéma de principe)Page 48 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)3.6. DO Abreuvoir, Corbis et Théâtre (fonctionnement p.39 ; annexe 8 : p.86-89)La législation impose une mesure en continu des débits déversés ainsi qu’une estimation de lapollution déversée.3.6.1. DébitmétrieLa manière la plus économique d’instrumenter ces trois DO consiste à instrumenter lacanalisation de débit conservé : en effet, on a montré que la ligne d’eau sur la canalisationprincipale (et sur les trois ouvrages) ne dépendait que d’un point de contrôle.En négligeant l’influence des apports latéraux (voir Partie 2, 2.3.3.) on peut en théoriecalculer tous les débits à partir d’une seule mesure bien placée. Trois instrumentations sontpossibles :• mesure des débits par limnimétrie à l’amont (où la ligne d’eau varie le plus et donc laprécision sera la meilleure) : à cause des vitesses atteintes par l’écoulement, il estimpératif d’utiliser un limnimètre à ultrasons. Etant donné le coût du capteur, on aintérêt à installer un second capteur au titre de la redondance matérielle (un seulcapteur pour trois des plus gros DO de Belfort est une approche peu judicieuse enterme de fiabilité). Malheureusement, la mise en charge de l’ovoïde impose de placerle capteur dans un regard alors que ceux existant ne s’y prêtent pas. Il faudrait donccréer deux regards de mesure. Comme la rue est très passante et que la chaussée a étérefaite il y a peu, il n’est pas évident que cette solution soit retenue (cependant,comme la voûte de l’ovoïde est peu profonde et qu’il est situé sur le côté de la rue, lagêne des travaux serait réduite pour l’usager) ;• mesure de débit par vélocimétrie à l’aval (en régime torrentiel, où la vitesse est la plusimportante et donc la précision la meilleure) : étant donné la variation de la hauteurd’eau, il est possible d’installer un débitmètre doppler sur flotteur couplé à unlimnimètre piézorésistif (ou un vélocimètre à corrélation croisée d’échos couplé à unlimnimètre à ultrasons immergés) sur le tronçon le plus pentu (voir figure 33). Il seraimpossible d’installer un second capteur pour fiabiliser la mesure (coût etencombrement). On notera que la précision d’un vélocimètre doppler laisse à désireret que l’entretien d’un vélocimètre à corrélation croisée d’échos est plus difficile (carimplanté en radier). Cette solution serait donc moins fiable et plus difficile d’entretien(pas de regard d’accès) que la première proposition, mais plus commode pour l’usager(pas de travaux en tranchée) ;• mesure par vélocimétrie (capteur à effet doppler par exemple) des débits déversés dansles canalisations de décharge. Cette méthode permet de découpler la mesure surchacun des DO. Toutefois, la mesure par vélocimétrie n’améliore pas forcément laprécision (ou alors elle augmente drastiquement le coût de l’instrumentation) et réduitla fiabilité. Il sera en outre nécessaire de créer des regards de mesure sur les deuxcanalisations de décharge qui en sont dépourvues (DO Corbis et Théâtre). Par ailleurs,cette instrumentation entraînera des imprécisions supplémentaires dans la mesure de lapollution (calcul du déphasage δt voir Partie 2, 3.6.2. à moins d’installer plusieursappareils).Les trois instrumentations possibles n’ont donc pas du tout les mêmes intérêts : du point devue de la maintenance, on conseille fortement la première installation (l’entretien deslimnimètres peut se faire depuis la surface, ce qui réduit considérablement les risques pour lepersonnel) alors qu’on déconseille totalement la troisième instrumentation. On ne détaillera enannexe que les deux premières instrumentations (figure 33). Par ailleurs, on propose de placerThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 49

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortainedes détecteurs de surverse sur les crêtes de chacun des trois déversoirs. Cela n’est a priori pasindispensable mais permettra de fiabiliser les mesures.(1) Limnimètre à ultrasons(1) Limnimètre à ultrasons(2) Débitmètre sur flotteur(1) Regard à créer(1) Regard à créerDO CorbisDO ThéâtreDO AbreuvoirDétecteur de surverseDétecteur de surverseDétecteur de surverseNordFigure 33 - Propositions (1) et (2) d’équipement des DO Abreuvoir, Corbis et Théâtre pour la débitmétrie(vue en plan)3.6.2. Mesure de la pollutionOn propose d’instrumenter les trois ouvrages à l’aide d’un seul capteur de pollution ; celareste en accord avec les objectifs réglementaires (on ne cherche qu’une estimation de lapollution déversée). Les effluents sont ici domestiques et un turbidimètre suffira. Le capteursera placé au droit du DO Abreuvoir (l’effluent y est homogénéisé par un remous). Le calculde la charge déversée par les autres DO se fera en supposant que la vitesse de propagation dupollutogramme est celle de l’écoulement (mesurée à l’aval direct du DO Abreuvoir) ; on endéduira le déphasage δt entre les différents DO correspondant. (Si on a choisi de ne mesurerque les débits déversés par vélocimétrie sur les canalisations de décharge, on devra simplifierle problème en supposant le déphasage constant d’un phénomène pluvieux sur l’autre : il seradéterminé par une campagne de mesures à l’aide de préleveurs automatiques).On pourra relier la turbidité à la charge sur chaque DO par une campagne de mesures utilisanttrois ou quatre préleveurs automatiques (voir figure 34) : l’un permettra d’évaluer la chargetransitée en temps sec (le tuyau de prélèvement sera fixé au turbidimètre ; on pourra aussiopter pour quelques prélèvements manuels) et les autres évalueront la charge déversée parchaque DO (les prélèvements se feront dans les conduites de décharge).Page 50 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)NordPréleveur temporaireTurbidimètreDO AbreuvoirDO ThéâtrePréleveurtemporaireDO Corbis(Détecteurde surverse)( Regard à créer)PréleveurtemporairePréleveurtemporaireFigure 34 - Equipement des DO Abreuvoir, Corbis et Théâtre pour la mesure de pollution (vue en plan)Deux modes d’installations sont possibles pour le turbidimètre : si on obtient l’autorisationd’effectuer des travaux en tranchée, il sera judicieux de percer un regard sur le côté del’ovoïde (on pourra ainsi placer une gaine en PEHD souple le long de la paroi pourinstaller/retirer le turbidimètre sans peine depuis la chaussée). Dans le cas contraire, leturbidimètre devra être fixé sur le radier, mais ne sera pas accessible sans descente dansl’égout ; l’entretien du capteur sera donc particulièrement difficile. La première solution esttrès fortement recommandée (apport non négligeable en terme de sécurité pour le personnel).Si on opte pour un turbidimètre à nettoyage mécanique, on installera également un détecteurde surverse, permettant de stopper le cycle de nettoyage si le niveau d’eau s’avérait tropfaible.Remarque : si l’on dispose d’assez de crédits, on pourra fiabiliser les mesures en choisissantd’instrumenter chacun des trois DO. De cette manière, on s’affranchira du calcul dudéphasage δt et on pourra pallier les défaillances des turbidimètres par des corrélationslinéaires entre les trois appareils.3.7. DO Marseille (15), Marseille (14) et Moulin (fonctionnement p.32 et p.37 ;annexe 8 : p.90-93)La législation impose une mesure en continu des débits déversés ainsi qu’une estimation de lapollution déversée.3.7.1. DébitmétrieLa mesure de débit devra être différenciée sur les trois DO :• DO Marseille (15) : la mesure pourra être faite à l’aide d’un limnimètre à ultrasonsaériens (voir figure 35) exploitant une loi d’orifice (équation (7)). Le calage pourra sefaire en bouchant les canalisations d’amenée et de sortie, tout en alimentant le DOavec un poteau incendie (par exemple) à un débit connu ; la hauteur d’eau dans leregard sera relevée une fois le régime permanent établi. Les couples h/Q déversé établisserviront à calculer le coefficient de contraction de la loi. On conseille égalementd’installer un détecteur de surverse pour fiabiliser les données ;• DO Marseille (14) : il est impossible d’effectuer la moindre mesure du débit déversépar ce DO sur la conduite de décharge (arrivée d’un égout EP) à une précision et à uncoût raisonnable (seule une mesure par différence est envisageable, ce qui cumule lesThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 51

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaineimprécisions). On propose d’évaluer le débit déversé par l’exploitation directe dumodèle déjà présenté en Partie 2, 2.2.2. . On rappelle que ce modèle a permis d’établirune fonction de deux variables (hauteur à l’aval direct du DO, débit conservé). Etantdonné la configuration des lieux on a retenu l’instrumentation présentée sur lafigure 36. Le débit aval peut être calculé par la méthode des courbes de remous grâceaux deux mesures de hauteur. La hauteur d’eau à l’aval direct du DO est déduite dudébit et de la mesure de hauteur la plus proche (courbes de remous également). Undétecteur de surverse est également proposé pour fiabiliser les mesures. On pourrainstaller temporairement un limnimètre (piézorésistif ou bulle à bulle) dans le regardpour vérifier que le déversoir est dénoyé (hypothèse faite d’après les laisses de crue) ;• DO Marseille (15) : on propose de l’instrumenter comme les DO n°2 et n°3 en raisond’influences aval impossible à évaluer (voir figure 28).Limnimètre àultrasonsRéglet pour étalonnage /contrôle rapide dulimnimètreConduites de décharge dedéchargeDétecteur desurverseCunetteFigure 35 - Equipement du DO Marseille (15) pour la débitmétrie (vue en coupe)NordLimnimètre à ultrasonsDO Marseille (14)Limnimètre à ultrasonsDétecteur de surverseFigure 36 - Equipement du DO Marseille (14) pour la débitmétrie (vue en plan)3.7.2. Mesure de la pollutionCes 3 DO sont relativement rapprochés ; il existe certains apports entre les ouvrages, mais ilssont négligeables en terme de charges polluantes. Comme pour les DO Abreuvoir, Corbis etThéâtre, on propose de ne suivre la pollution qu’avec un appareil. Celui-ci sera installé dansle fond du DO Marseille (15). Le calcul de la charge de l’effluent arrivant sur les autres DO sefera en tenant compte d’un déphasage δt calculé à partir du débit (mesuré à l’aval direct duDO Marseille (14)).Le seul appareil de mesure qui paraisse pouvoir apporter une mesure fiable de la pollution surle réseau est le spectromètre UV/visible (le rejet industriel représente 75 à 80 % de l’effluenten terme de DBO5) ; cela devra toutefois être déterminé par une campagne de mesures. OnPage 52 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)pourra la mener avec trois ou quatre préleveurs automatiques (placés dans chaque regard, voirfigure 37) : l’un des préleveurs sera destiné aux prélèvements de temps sec (on pourra aussi secontenter de quelques prélèvements manuels) et les autres au prélèvement de temps de pluie(tuyau de prélèvement installé au voisinage de la crête déversante). Cette campagne permettraà la fois de :• déterminer l’appareil de mesure adapté (influence du rejet industriel) et en déduire lecalcul de la charge polluante de temps sec,• calculer les relations entre la charge moyenne réelle de l’effluent et la charge moyennede l’effluent déversé (stratification de la charge dans les regards).Préleveur temporairePréleveur temporaireAppareil demesure en continuDO Marseille (15)(Préleveur temporaire)DO Marseille (14)Préleveur temporaireDO MoulinNordFigure 37 - Equipement des DO Marseille (15), Marseille (14) et Moulin pour la mesure de pollution (vueen plan)Remarque : comme pour les DO Abreuvoir, Corbis et Théâtre, on aura intérêt à investir danstrois appareils différents si les crédits sont suffisants.3.8. DO Degombert (fonctionnement p.38 ; annexe 8 : p.94-95)La législation impose une mesure en continu des débits déversés ainsi qu’une estimation de lapollution déversée. Le DO devra être modifié : on observe en effet des déversements de tempssec à l’impact probablement réduit (seul un immeuble est susceptible de provoquer cesdéversements) mais qui restent fréquents. La transformation la plus simple consisterait à :• déplacer le regard, de manière à se trouver exactement sur le DO (sur l’existant, le« seuil » se situe légèrement en retrait ; il est inaccessible) ; le plus pratique serait decréer une grande chambre souterraine rectangulaire,• ajouter une crête mince (inox par exemple) pour rehausser le niveau de déversementde quelques centimètres. Cela suffirait à stopper les déversements de temps sec.3.8.1. DébitmétrieLa modification proposée permet d’utiliser une loi de déversement de seuil frontal obliquepour estimer le débit déversé (le fonctionnement du DO restant inchangé) ; les lois de Poleni(équation (4)) et d’Aichel sont (équation (5)) appropriées. Une mesure de hauteur au niveaudu regard existant suffit dans ces conditions à quantifier les déversements. Un limnimètre àultrasons et un détecteur de surverse pour détecter les anomalies (voir figure 38) sontrecommandés. Pour caler la loi, une mesure temporaire du débit dans la canalisation dedécharge sera nécessaire.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 53

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineLimnimètre à ultrasonsEcoulement detemps secEcoulement detemps de pluieNordChambresouterraine àcréerDétecteur de surverseDO DegombertFigure 38 - Equipement du DO Degombert pour la débitmétrie (vue en plan)3.8.2. Mesure de la pollutionLa part d’effluents industriels s’élève à près de 50 % (en terme de DBO5). Il est doncprobable qu’un spectromètre UV/Visible s’avère indispensable pour tenir compte de la mixitéde l’effluent (et fournir une estimation réaliste de la pollution) ; toutefois, cela devra êtreconfirmé par une campagne de mesures, comme pour les DO précédents. On pourra placerl’appareil dans la conduite d’amenée fonctionnant à contre-courant. On installera le capteursur un support immergé en temps de pluie (profilé pour un écoulement à contre sens) pourlimiter l’encrassement (aucun intérêt à mesurer la charge transitée de temps sec, le déversoirétant en tête de réseau).Appareil de mesure encontinuNordPréleveurtemporaire(Détecteur de surverse)DO DegombertFigure 39 - Equipement du DO Degombert pour la mesure de pollution (vue en plan)Si l’on choisit d’installer un turbidimètre autonettoyant par système mécanique, on prendraparticulièrement garde à déclencher le nettoyage du turbidimètre sur un seuil de hauteur d’eau(par détecteur de surverse). En effet, en temps sec, le niveau d’eau dans la canalisation estvoisin de zéro (le nettoyage mécanique des turbidimètres ne doit pas se faire à sec).3.9. DO Foyer (fonctionnement p.35 ; annexe 8 : p.96-97)La législation impose une mesure en continu des débits déversés ainsi qu’une estimation de lapollution déversée. On a déjà signalé que le DO nécessite une légère modification pourcorrespondre aux calculs menés (simplification de la crête, pas de changement majeur del’hydraulique).Page 54 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)3.9.1. DébitmétrieEtant donné l’influence d’une confluence du réseau, on propose de recourir au modèle dedeux variables (débit amont, hauteur à l’amont direct du DO) déjà établi en Partie 2, 2.2.3.pour quantifier les déversements (la forme de la conduite de décharge se prête mal à la mesuredirecte par vélocimétrie : l’imprécision serait importante). La proximité de la confluenceimpose une instrumentation à l’amont du DO. Comme pour le DO Marseille (14), on proposed’équiper le DO à l’aide de deux limnimètres à ultrasons et d’un détecteur de surverse(facultatif, présent pour fiabiliser la mesure). Afin de libérer l’accès au DO pour une mesurede la pollution (voir Partie 2, 3.9.2.), on propose de créer un regard de mesure quelquesmètres en amont du DO proprement dit, comme indiqué sur la figure 40. Etant donné la faiblecirculation dans la rue, les travaux ne devraient pas poser problème. Le débit amont seracalculé par la méthode des courbes de remous. La hauteur d’eau à l’amont direct du seuil estdéduite du débit amené et de la mesure de hauteur la plus proche (courbe de remous).Regard à créerDétecteur de surverseLimnimètre à ultrasonsNordDO FoyerLimnimètre àultrasonsFigure 40 - Equipement du DO Foyer pour la débitmétrie (vue en plan)3.9.2. Mesure de la pollutionEtant donné le mélange d’effluents industriels (environ 50% de la charge brute de temps sec),il est probable qu’un spectromètre UV/Visible sera nécessaire pour une estimation réaliste dela pollution. Toutefois, cela devra être confirmé par une campagne de mesures, comme pourles DO précédents. On s’efforcera de placer l’appareil de mesure au droit du DO (dans l’idéal,il sera placé sur un flotteur de manière à mesurer la charge de la lame d’eau déversée) commeindiqué sur la figure 41 ; si on retient un turbidimètre, il sera nécessaire d’effectuer destravaux de génie civil : l’ovoïde est trop étroit pour installer une gaine en PEHD le long de laparoi comme sur le DO Abreuvoir et il faudra pratiquer une saignée dans la paroi. Ceséventuels travaux en tranchée pourraient être réalisés en même temps que la création dunouveau regard : on pensera à choisir l’appareil mesurant la pollution en priorité (campagnede mesures).Appareil de mesure encontinuPréleveurtemporaireNordDO FoyerPréleveur temporaireFigure 41 - Equipement du DO Foyer pour la mesure de pollution (vue en plan)Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 55

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine3.10. DO Leclerc (fonctionnement p.41 ; annexe 8 : p.98-99)La législation impose une mesure en continu des débits déversés ainsi qu’une estimation de lapollution déversée. Le DO présente deux fonctionnements différents, selon la position desvannes motorisées. Il est donc nécessaire de connecter l’électronique d’acquisition au capteurde fin de course existant afin de connaître leur position. L’instrumentation sur le DOproprement dit souffre des points suivants : les canalisations d’amenée et de débit conservésont totalement inaccessibles. Par ailleurs, la hauteur de « plafond » dans la chambre dedéverse est réduite et ne peut être modifiée. Les mesures devront donc se faire soit au droit duDO, soit sur la canalisation de déverse.3.10.1. DébitmétrieOn propose d’effectuer une unique mesure de hauteur d’eau sur la crête pour caractériser lesdeux fonctionnements du DO. Cette mesure devra être faite le plus à l’aval possible (point oùla hauteur d’eau est la plus fluctuante et donc la précision maximale). Le débit déversé seracalculé par deux lois différentes, selon la position des vannes motorisées. On préconise unlimnimètre piézorésistif à cause de la contrainte de plafond ; celui-ci sera installé dans unpuits de tranquillisation situé sur le côté du DO. La connexion du puits au DO doit être penséepour éviter l’encrassement. On conseille également d’installer un détecteur de surverse pouridentifier les dysfonctionnements du limnimètre. Une courte campagne de mesures devra êtremenée pour caler correctement la loi de déversement en fonctionnement frontal. On pourra àcet effet installer temporairement un débitmètre dans la canalisation de décharge.Détecteur de surverseLimnimètrepiézorésistifNordDO LeclercCapteur de fin de courseDétecteur desurverseFigure 42 - Equipement du DO Leclerc pour la débitmétrie (vue en plan)Par ailleurs, il est intéressant d’équiper le siphon nord (voir figure 38) d’un détecteur desurverse : tant qu’aucun écoulement n’y est observé, le débit arrivant sur le DO Leclercpourra être évalué par la mesure de hauteur. Il sera donc possible de quantifier des arrivéesd’ECP nocturnes.3.10.2. Mesure de la pollutionLa proportion d’effluents industriels est sensiblement la même que pour les DO Foyer etDegombert : il est donc probable qu’on ait besoin d’un spectromètre UV/Visible. Là aussi,une installation sur flotteur s’avérerait idéale ; si cela est impossible, il faudra installer lecapteur au pied de la lame déversante. La campagne de mesures temporaires pourra se faire eninstallant un préleveur automatique dans la chambre de déverse.Page 56 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)4. Validité et fiabilité des lois proposéesUn certain nombre de points de mesures devra faire l’objet d’un étalonnage (DO n°2, n°3,Marseille (15), Leclerc en DO frontal, Degombert et Strolz pour la débitmétrie ; tous lespoints de mesure pour la pollution). Toutefois, la fiabilité des autres points de mesure n’estpas certaine : les lois proposées restent théoriques et, contre toute attente, les modèles peuventse révéler erronés. On mènera donc des campagnes de validation (et non pas d’étalonnage)pour vérifier ces lois et en évaluer la précision ; dans le cas où elles ne donneraient passatisfaction, il faudrait alors déterminer expérimentalement les lois de fonctionnement, ce quiserait beaucoup plus long et difficile à établir.Au vu des difficultés rencontrées pour établir les lois de fonctionnement et des rejets estimésdes ouvrages, on propose de mener les campagnes de validation dans cet ordre :• DO Abreuvoir, Corbis et Théâtre : on disposera des débitmètres temporaires dans lescanalisations de décharge. Seule celle du DO Abreuvoir dispose d’un regard d’accès :on pourra utiliser un vélocimètre à effet doppler couplé à un limnimètre à ultrasons ;les autres débitmètres pourront être constitués de vélocimètres à effet doppler et delimnimètres à ultrasons immergés (on pourra remplacer les vélocimètres par desvélocimètres à corrélation croisée d’échos pour une meilleure précision).• DO Leclerc : deux lois sont à vérifier. Pour la validation des déversements enfonctionnement latéral (vannes ouvertes) on pourra disposer un débitmètre dans lacanalisation de déverse : cette campagne pourra être regroupée avec la campagned’étalonnage pour le fonctionnement en frontal. Pour la validation de la mesure dudébit conservé de temps sec, on pourra disposer le débitmètre dans la canalisation avalétranglée, juste à la sortie du DO. Le débitmètre pourra être constitué d’un vélocimètreà effet doppler couplé à un limnimètre à ultrasons immergé (même remarque pour lesvélocimètres à corrélation croisée d’échos).• DO Foyer : on disposera un débitmètre temporaire dans la canalisation de décharge duDO. L’emploi d’un vélocimètre à corrélation croisée d’échos couplé à un limnimètre àultrasons immergé est recommandé à cause de la présence des banquettes.• DO Marseille (14) : la validation sera particulièrement délicate. On disposera undébitmètre temporaire à l’amont du DO ; le calcul du débit déversé se fera pardifférence entre le débit conservé (déjà mesuré) et le débit amené. La précision atteintepar une telle méthode risque toutefois d’être trop délicate pour confirmer ou infirmerla loi proposée... On conseille d’utiliser un vélocimètre à corrélation croisée d’échoscouplé à un limnimètre à ultrasons immergé. On installera également un limnimètretemporaire dans le DO pour vérifier que la nappe est dénoyée.• DO Magasin : on disposera un débitmètre temporaire dans la canalisation dedécharge ; étant donné ses dimensions (30cm de haut, 1 m de large), il faudraprobablement insérer le capteur dans le radier de la conduite pour obtenir uneprécision suffisante. Le débitmètre pourra être constitué d’un vélocimètre à effetdoppler ou à corrélation croisée d’échos couplé à un limnimètre à ultrasons immergé.• DO Alsace et Lavandières : on disposera un débitmètre temporaire en aval direct dupoint de mesure (sortie du regard par exemple). Le débitmètre pourra être constituéd’un vélocimètre à effet doppler ou à corrélation croisée d’échos couplé à unlimnimètre à ultrasons immergé.Etant donné que ces campagnes devraient (au moins en théorie) être de courte durée, onpourra avoir intérêt à louer des débitmètres plutôt que de les acheter. En choisissant unepériode réputée pluvieuse, on pourra se limiter à une location de quelques mois (cetteremarque vaut aussi pour les campagnes d’étalonnage).Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 57

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine5. Fonctionnement aval de la chaîne de mesureOn s’est efforcé d’exprimer les lois de calcul sous une forme « simple ». On a choisid’interpoler les fonctions d’une ou deux variables sous la forme de polynômes qui sontparfois les seules fonctions disponibles sur les SGL. Toutefois, il a parfois été nécessaired’aller jusqu’au degré six pour obtenir des polynômes fiables...Les calculs de débits pourront donc être effectués de manière automatisée par des posteslocaux de télégestion. Cela permettra d’asservir les préleveurs temporaires sur le débit. Lecalcul des masses de polluants transitées ou déversées étant plus délicat, il pourra sinécessaire être effectué sur le poste central avant intégration dans la base de données. Aterme, on aura intérêt à instaurer un système de filtrage en continu des données de pollution(particulièrement pour la mesure de turbidité) ; on évitera ainsi de stocker des données necorrespondant pas à la réalité des réseaux.Le rapatriement des données pourra être effectué par plusieurs moyens (réseau téléphonique,réseau de fibre optiques de la CAB, GSM, radio…) selon l’emplacement des armoires derues. Cela devra être déterminé par des études complémentaires.Une fois que le fonctionnement de la chaîne de mesure aura été validé, on pourra alorscommencer à mettre en place une redondance analytique : grâce aux outils généralementintégrés aux logiciels d’autosurveillance (ou simplement en calculant des régressions linéairesentre les différentes mesures), on pourra établir les relations qui lient généralement lesdifférentes grandeurs (par exemple le débit déversé de deux DO). Cela permettra de pallier lesdysfonctionnements des capteurs en proposant des valeurs de substitution aux grandeurserronées. De telles relations devront bien entendu distinguer le temps sec du temps de pluie.Page 58 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)ConclusionCette étude a fait l’objet d’une réflexion en deux temps. On a d’abord mené une étudebibliographique pour dresser un état des lieux de l’autosurveillance en réseaud’assainissement : cela a permis d’identifier les lois, capteurs et stratégies d’acquisition lesplus adaptées aux réseaux et déversoirs d’orage. Dans une seconde partie, on s’est intéressé aucas pratique de deux réseaux d’assainissement de la Communauté de l’AgglomérationBelfortaine : les agglomérations d’assainissement de Belfort et de Bavilliers. Laréglementation y impose un suivi des déversoirs d’orage et une instrumentation desprincipaux nœuds des réseaux ; on s’est particulièrement intéressé à l’instrumentation desdéversoirs d’orage, point qui semble prioritaire au vu des obligations réglementaires. Quinzeouvrages ont été identifiés et ont fait l’objet d’une proposition d’instrumentation en mettantl’accent sur la fiabilité et l’entretien. Sur plusieurs d’entre eux, des compromis sur le point demesure ont été fait de manière à permettre la mesure des débits transités aux nœudsprincipaux des réseaux. Par ailleurs, des travaux de génie civil ont été proposés pour certainsdéversoirs ; on s’est efforcé de proposer des alternatives moins gênantes pour les usagersquand cela était possible.L’instrumentation des déversoirs d’orage de la communauté d’agglomération est un travailqui prendra plusieurs années avant d’être complètement fiable. Après la phase d’équipementproprement dite, il sera en effet nécessaire de lancer des campagnes de mesures pourétalonner, valider ou corriger les lois établies.Le passage au diagnostic permanent des réseaux nécessitera des aménagements ultérieurs, etnotamment l’acquisition de plusieurs pluviomètres qui seront répartis sur le territoire de lacommunauté d’agglomération. En effet, si l’équipement proposé dans cette étude permetparfois de comptabiliser les eaux claires parasites d’infiltration (et d’indiquer en partie leurprovenance), il reste impossible d’exploiter les volumes transités en temps de pluie : pourrepérer les erreurs de branchements (eaux usées, eaux pluviales) il sera nécessaire deconnaître avec précision les précipitations.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 59

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineBibliographieOuvrages[1] Agences de l’eau, Ministère de l’Environnement. Guide de l’autosurveillance des systèmesd’assainissement. [en ligne] Agence de l’eau Rhône Méditerranée Corse, 1996,[2] ASsociation des collectivités COmtoises pour la MAîtrise des Déchets et de l’Environnement. Gestion deseffluents toxiques diffus sur la communauté d’Agglomération Belfortaine – Etat des lieux – Rapportintermédiaire. ASCOMADE, octobre 2006. 99 p.[3] BERTRAND-KRAJEWSKI J.-L., LAPLACE D., JOANNIS C., CHEBBO G., « Mesures en hydrologieurbaine et assainissement » Paris, Ed. Tec&Doc Lavoisier, 2000, 794 p. ISBN 2-7430-0380-4.[4] LADREYT S., LABORIE V., Centre d’Etudes Techniques Maritimes Et Fluviales. Notice sur les déversoirs– Synthèse des lois d’écoulement au droit des seuils et déversoirs, [en ligne], Ministère des Transports, del’Equipement, du Tourisme et de la Mer, 2005,[5] SADOWSKI A.-G. Les principaux capteurs en assainissement : emplacement, positionnement.ENGEES, janvier 2001, 32 p.[6] VAZQUEZ J. Hydraulique à surface libre. ENGEES, cours de la promotion Marne, 2005, 96 p.[7] VAZQUEZ J., BARDIAUX J.-B. Capteurs. ENGEES, cours de la promotion Marne, 2007[8] VASQUEZ J., ZUG M., PHAN L., ZOBRIST C. Guide technique sur le fonctionnement des déversoirsd’orage. [en ligne], ENGEES, ANJOU RECHERCHE, FNDAE, 2006Contributions, comptes rendus de congrès[9] BERTRAND-KRAJEWSKI J.-L., BARRAUD S., LIPEME KOUYI G., TORRES A., LEPOT M.Mesurages en continu des flux polluants particulaires en réseaux d’assainissement urbains : enjeux,méthodes, exemple d’application. [en ligne] in conférence SHF : "Transports solides et gestion des sédimentsen milieux naturels et urbains", Lyon, 28-29 novembre 2007,< http://www.turbidite-assainissement-cil.fr/publications/bertrand-krajewski-et-al-v3.pdf>[10] BONAKDARI H., LARRARTE F. Effets des caractéristiques d’un coude sur l’écoulement en réseauxd’assainissement. [en ligne] ], in 24 èmes Rencontres de l’Association Universitaire de Génie Civil, 1-2 juin 2006,[11] GRUBER G., BERTRAND-KRAJEWSKI J.-L., DE BENEDITIS J., HOCHEDLINGER M., LETTL W.Practical aspects, experiences and strategies by using UV/VIS sensors for long-term sewer monitoring. [enligne] in 10 th International Conference on Urban Drainage, Copenhagen, 21-26 Août 2005,[12] Société Hydrotechnique de France, Groupe de Recherche Rhône-Alpes sur les Infrastructures et l’Eau.Autosurveillance et mesures en réseau d’assainissement. Colloque d’hydrotechnique. 2000.[13] TEMIMI M., BENNIS S. Une méthodologie pour la validation, en temps réel, des données de la qualité: application aux réseaux d’assainissement. [en ligne], in Congrès annuel de la Société canadienne de géniecivil, Montréal, 5-8 juin 2002,Page 60 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)[14] TORRES A., BERTRAND-KRAJEWSKI J.-L. Amélioration des algorithmes d’étalonnage d’unspectromètre UV-visible pour le mesurage in situ en continu des polluants dans les effluents urbains. [enligne], in 24 èmes Rencontres de l’Association Universitaire de Génie Civil, 1-2 juin 2006,Mémoires universitaires[15] BUYER M. Transport de flux en réseau d’assainissement : modèle 1D pour l’hydraulique descollecteurs et déversoirs avec prise en compte des discontinuités. [en ligne], Mémoire de thèse, UniversitéLouis Pasteur Strasbourg I, 2002,[16] DE BENEDITTIS J. Mesurage de l’infiltration et de l’exfiltration dans les réseaux d’assainissement.[en ligne], Mémoire de thèse, Institut National des Sciences Appliquées, 2004, 355 p.[17] GALLIN Y. Mise au point d’un nouveau mode d’instrumentation des déversoirs d’orage : applicationau site de Sélestat. Mémoire d’ingénieur, ENGEES, 2003, 61 p.[18] HAMIOUD F. Validation de données débitmétriques issues des réseaux d’assainissement. [en ligne],Mémoire de thèse, Institut National Polytechnique de Lorraine, 2007,[19] JEANJEAN F. Autosurveillance des déversoirs d’orage de la communauté de communes de Benfeld –Utilisation de la modélisation 3D pour optimiser leur instrumentation. [ en ligne], Mémoire d’ingénieur,ENGEES, 2006, [20] KANSO A. Evaluation des modèles de calcul des flux polluants des rejets urbains par temps de pluie –Apport de l’approche bayésienne. [Mémoire de thèse, en ligne] Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 2004,[21] LEPOT M. Métrologie en hydrologie urbaine : prévalidation automatique des données mesurées encontinu – utilisation de la turbidité pour évaluer les flux de MES et DCO. [en ligne], Mémoire d’ingénieur,ENGEES 2007, [22] MARECHAL A. Relations entre caractéristiques de la pollution particulaire et paramètres optiquesdans les eaux résiduaires urbaines. [en ligne], Mémoire de thèse, Institut National Polytechnique de Lorraine,2000, [23] MISIAK X. Caractérisation quantitative et qualitative des déversements de l’agglomérationd’assainissement de l’agglomération de Lille-Marquette et évaluation de l’impact sur le milieu naturel .[en ligne], Mémoire d’ingénieur, ENGEES, 2007,[24] MONNIER H. Diagnostic permanent en réseau d’assainissement : mesures et calculs sur sites pilotesde la région ouest . [en ligne], Mémoire d’ingénieur, ENGEES 2006,[25] MONTANDON-BLAISELON I. Instrumentation des réseaux d’assainissement : évaluation du débit àpartir de la mesure de hauteur(s) d’eau en régime transitoire. Mémoire d’ingénieur, ENGEES, 2005, 83 p.[26] RIHN Magali. Comment peut-on évaluer la quantité et la qualité des effluents déversés au milieunaturel par l’intermédiaire des déversoirs d’orage ? Mémoire de stage : BTS Gestion et Maîtrise de l’eau,2007, 43 p.[27] ROLLET D. Instrumentation des déversoirs d’orage : Mise en place de l’autosurveillance à Sélestat.Mémoire d’ingénieur, ENGEES, 2002, 76 p.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 61

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine[28] SOLLIEC L. Instrumentation des réseaux d’assainissement : interprétation des relationshauteur/vitesse en collecteurs et mise en place d’un système de mesure de débit basé sur la limnimétrie.[en ligne], Mémoire d’ingénieur, ENGEES, 2005,Articles[29] AUMOND M., JOANNIS C. Mesure en continu de la turbidité sur un réseau séparatif d’eaux usées :mise en oeuvre et premiers résultats. [en ligne], La Houille Blanche n°4, 2006,[30] BERTRAND-KRAJEWSKI J.-L. TSS concentration in sewers estimated from turbidity measurementsby means of linear regression accounting for uncertainties in both variables. [en ligne], Water Science andTechnology, Vol 50 n° 11, 2004, pp 81-88,[31] BLANCHET F., ROUX C. La validation des mesures pour l’autosurveillance et le diagnosticpermanent des systèmes d’assainissement. Techniques, Sciences, Méthodes, n°10, octobre 2002, p. 101-114.[32] DE BENEDITTIS J., BERTRAND-KRAJEWSKI J.-L. Mesurage des concentrations en MES et DCOdans les eaux usées par spectrométrie UV/visible. [en ligne], La Houille Blanche n°4, 2006,[33] KAFI-BENYAHIA M., GROMAIRE M.-C., CHEBBO G. Représentativité des prélèvements parpréleveurs automatiques dans un réseau d’assainissement unitaire : cas d’OPUR. [en ligne], La HouilleBlanche n°4, 2006, [34] LAURENT N., BATTAGLIA P., RUBAN G., BADET C. Mise en oeuvre de l’autosurveillance sur undéversoir d’orage : retour d’expériences. [en ligne], La Houille Blanche n°4, 2006,[35] MARECHAL A., AUMOND M., RUBAN G. Mise en oeuvre de la turbidimétrie pour évaluer lapollution des eaux résiduaires. [en ligne], La Houille Blanche n°5, 2001, pp. 81-86,[36] Groupe de travail "Métrologie en réseaux d’assainissement", Dossier Métrologie en réseauxd’assainissement. Techniques, Sciences, Méthodes, n°2, février 2001, p. 18 – 110.[37] RUBAN G. Mesure de la turbidité en atténuation des eaux résiduaires urbaines : précision etrelations avec les paramètres globaux de pollution. [en ligne], in RODRIGUEZ F., BALADES J.-D.,"Effluents urbains de temps de pluie et risque hydrologique", LCPC (Paris), 2005, collection Etudes etrecherches des laboratoires des ponts et chaussées.[38] RUBAN G., BETRAND-KRAJEWSKI J.-L., CHEBBO G., GROMAIRE M.-C., JOANNIS C. Précision etreproductibilité du mesurage de la turbidité des eaux résiduaires urbaines. [en ligne], La Houille Blanchen°4, 2006, [39] TEMIMI M., BENNIS S. Prévision en temps réel des charges de polluants dans un réseaud’assainissement urbain. [en ligne], Revue des sciences de l’eau, 15/03/2002,Page 62 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)AnnexesThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 63

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Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Annexe 1 : Textes législatifsArrêté du 22 juin 2007 relatif à la collecte, au transport et au traitement des eaux uséesles agglomérations d’assainissement ainsi qu’à la surveillance de leurfonctionnement et de leur efficacité, et aux dispositifs d’assainissement non collectifrecevant une charge brute de pollution organique supérieure à 1,2 kg/j de DBO5Art. 8. − Dispositifs de mesure de la collecte des eaux usées.Le système de collecte des agglomérations produisant une charge brute de pollution organiquesupérieure à 600 kg/j de DBO5 doit être conçu ou adapté pour permettre, au plus tard le 1er janvier2010, la réalisation dans des conditions représentatives, de mesures de débit aux emplacementscaractéristiques du réseau y compris la mesure du débit déversé par le déversoir d’orage situé en têtede station d’épuration.Le système de collecte des agglomérations produisant une charge brute de pollution organiquesupérieure à 6 000 kg/j de DBO5 doit être muni de dispositifs de mesure de débit aux emplacementscaractéristiques du réseau, y compris sur le déversoir d’orage situé en tête de station.Art. 18. − Dispositions particulières relatives à la surveillance des systèmes de collecte desagglomérations d’assainissement produisant une charge brute de pollution organique supérieure à120 kg/j de DB05.Les résultats de la surveillance du réseau de canalisations constituant le système de collectefont partie du bilan annuel mentionné à l’article précédent.Cette surveillance doit être réalisée par tout moyen approprié (inspection télévisée,enregistrement des débits horaires véhiculés par les principaux émissaires, mesures de débits prévues àl’article 8). Le plan du réseau et des branchements est tenu à jour par le maître d’ouvrage.L’exploitant vérifie la qualité des branchements. Il évalue la quantité annuelle de sousproduitsde curage et de décantation du réseau (matière sèche).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 DBO5 et inférieure ouégale à 600 kg/j de DBO5 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 600 kg/jde DBO5 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 déversoirsd’orage représentant plus de 70 % des rejets du système de collecte.Les dispositions du présent article peuvent être adaptées par le préfet aux exigences du milieurécepteur. Dans ce cas, il peut demander à l’exploitant des estimations de la charge polluante (MES,DCO) déversée par temps de pluie ou par temps sec, y compris pour les déversoirs d’orage situés surun tronçon collectant une charge brute de pollution organique supérieure à 120 kg/j et inférieure ouégale à 600 kg/j de DBO5.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 65

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineAnnexe 2 : Quelques notions d’hydrauliqueCette annexe a pour but de présenter les quelques notions d’hydraulique nécessaires à labonne compréhension du rapport. Elle s’adresse aux néophytes en la matière et s’inspire engrande partie du cours dispensé par José Vazquez à l’ENGEES [6]. Le lecteur aura tout intérêtà s’y référer pour plus de précisions.En canalisations fermées (par opposition aux canaux), deux principaux écoulements sontobservés : l’écoulement en charge (le débit est tel que toute la section est occupée par l’eau) etl’écoulement à surface libre (la canalisation n’est que partiellement remplie). Lefonctionnement dit « normal » en assainissement relève généralement de l’hydraulique àsurface libre. A noter que les écoulements en charge peuvent être traités comme desécoulements à surface libre, dans des conditions particulières [15].Paramètres hydrauliques à surface libreDéfinissons tout d’abord les quelques paramètres hydrauliques qui seront utilisés par la suite :Section droite d’un canal (Figure extraite de Vazquez 2005 [6] )• La surface mouillée, S, est la portion de la section occupée par le fluide dans la sectiondu canal.• Le périmètre mouillé, P, est formé par la longueur de la ligne de contact entre lasurface mouillée et les parois de la section (la largeur de la surface libre n’entre pas encompte).• Le rayon hydraulique est donné par Rh = S / P• La largeur superficielle ou largeur au miroir, B, est la largeur du canal au niveau de lasurface libre B = dS/dh• La profondeur hydraulique est donnée par Dh = S / B• La pente, notée I s’exprime en %. Par convention, une pente positive est descendante.En hydraulique, l’état énergétique des fluides est décrit par sa charge. La charge E s’exprimecomme la somme de trois termes :E = z + V² + P(9)2⋅gρ⋅gavec :• z la cote d’une particule de fluide• V sa vitesse• P sa pressionPage 66 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)• g l’accélération de pesanteur, prise égale à 9,81 m/s²• ρ la masse volumique du fluideDans le cas de l’hydraulique à surface libre, la terme de pression est par définition nul(équilibre de la pression entre la phase liquide et la phase air ; la pression de référence étant lapression atmosphérique). D’autre part, on utilise fréquemment la charge spécifique parrapport à la conduite H, définie comme suit :H = h + V²(10)2⋅gavec h la hauteur d’eau dans la conduite. La charge et la charge spécifique sont constantes ausein d’une même section.Plusieurs types d’écoulement peuvent être rencontrés en hydraulique à surface libre. Ondéfinit notamment des écoulements permanents ou non, uniformes ou non, comme indiqué surles schémas suivants. Un écoulement varié peut être qualifié de graduellement(respectivement rapidement) accéléré ou décéléré selon la variation de la vitesse.Ecoulements dans un canal (Figures extraites de Vazquez 2005 [6] )Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 67

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineHauteur normale – Régime permanent uniformeLe régime permanent uniforme est le cas le plus simple, mais également le plus rare. Lahauteur d’eau reste constante dans le temps et l’espace. Cette hauteur, unique pour un débit etdes caractéristiques géométriques données, est appelée la hauteur normale (hn). Elle peut êtrefacilement approchée par la formule de Maning-Strickler :23Q = Ks ⋅ I ⋅S(hn)⋅ Rh(hn)(1)avec :• Q le débit en m 3 /s• Ks la rugosité de Strickler ; sa valeur usuelle est de 70 pour le béton en assainissement• I la pente du canal en m/m• S la section mouillée de l’écoulement, fonction de la hauteur normale, en m²• Rh le rayon hydraulique de l’écoulement, fonction de la hauteur normale, en m²La perte d’énergie par frottements (encore appelée perte de charge linéaire) est alorsexactement compensée par la pente du canal : la hauteur reste donc constante.Régime permanent variéDans le cas général, le régime permanent uniforme est rare, comme on peut le voir sur lafigure page 63, particulièrement au droit des ouvrages comme les déversoirs d’orage. Dans cecas, il faut tenir compte des pertes de charge linéaires, qui sont approchées par la formule deManning-Strickler, puis intégrées dans l’équation des courbes de remous :2Qdhdxavec :• h la hauteur d’eau en m• J la perte de charge en m/mI −42 23I J Ks ⋅S⋅ Rh= − =(2)22Q ⋅ B Q ⋅ B1−1−33g ⋅Sg ⋅SCette équation ne possède malheureusement pas de solution analytique mais peut être résolueau cas par cas. On classe généralement les solutions en six grandes classes, selon la pente dela canalisation. Pour cela, on introduit la pente critique, correspondant au régime critique.Le régime critique est un état d’équilibre instable de l’écoulement. Il correspond à unécoulement où la vitesse du fluide est égale à la vitesse des ondes de gravité dans l’eau. Pourun débit fixé et des caractéristiques géométriques fixées, il existe une unique hauteur d’eautelle que ces conditions soient réalisées ; la pente critique correspond à la pente pour laquellece même débit s’écoule uniformément (hauteur d’eau prise égale à la hauteur critique). Lapente critique est donc définie par une égalité entre la hauteur normale et la hauteur critique(hc) correspondante ; on parle de pente faible si la pente est inférieure à la pente critique (soitune hauteur normale inférieure à la hauteur critique) , et de pente forte pour le cas inverse.La hauteur critique est calculée par la formule suivante :Q= g⋅Dh(hc)(11)S(hc)avec : Dh la profondeur hydraulique, fonction de la hauteur critique, en m.Page 68 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Dans le cas où la hauteur d’eau est supérieure à la hauteur critique, on parle de régimefluvial ; dans le cas inverse, l’écoulement est dit torrentiel. Il existe une différence essentielleentre ces deux écoulements :• Un écoulement fluvial est piloté par l’aval : la courbe de remous se calcule depuis unecondition limite aval, qui impose donc les caractéristiques de l’écoulement(typiquement, il s’agit d’un seuil à l’aval d’un canal).• Un écoulement torrentiel est piloté par l’amont : la courbe de remous se calcule depuisune condition limite amont (typiquement, il s’agit d’une vanne de fond à l’amont d’uncanal).Les lignes d’eau obtenues dans les différentes configurations sont présentées dans le tableaupage 66.On notera également que le passage d’un écoulement fluvial à torrentiel se fait par la hauteurcritique. En particulier, toute chute d’eau ou toute rupture de pente suffisamment importanteest un point de contrôle double : la hauteur d’eau y est égale à la hauteur critique et imposedonc l’écoulement amont (fluvial) et aval (torrentiel). Le passage inverse (torrentiel à fluvial)se fait par le biais d’un ressaut hydraulique ; ce phénomène est une discontinuité de la ligned’eau, très instable. Il dissipe l’énergie de l’écoulement, et est très difficile à modéliser (voirphoto).Régime varié non permanentLe régime varié non permanent est le cas général rencontré. Il est fort complexe, ce quijustifie qu’il soit assez peu pris en compte. En assainissement, il est souvent inutile derecourir à un tel degré de précision.Les équations les plus employées pour décrire ces écoulements sont les équations de Barré deSaint Venant (qui sont une version simplifiée des équations fondamentales de la mécaniquedes fluides). On présente ici la version à une dimension :⎧∂Q⎪+ ∂S= q1∂x∂t⎨2∂Q∂ ⎛ Q ⎞ ∂Q(3)⎪ + ⎜ β ⎟ + g S h = g S (I − J) + (ε −1)q1⎩ ∂t∂x⎝ S ⎠ ∂xSAvec• J : pente énergétique. Correspond aux pertes de charge dues aux frottements sur lesparois du collecteur.• β : coefficient de Boussinesq• ε : nombre booléen (ε = 0 si le débit latéral est sortant, ε = 1 si le débit latéral estentrant)• q 1 : débit latéral. Terme nul s’il n’y a pas d’apports latéraux.Cette équation, fort complexe, nécessite des temps de calcul prohibitifs et prédit l’apparitiond’hystérésis entre les phénomènes de crue et décrue dans un canal. Toutefois, ce phénomèneest peu évident en assainissement (au moins dans la plupart des cas). On se contentera doncd’approcher le régime non permanent par une succession de régime permanents.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 69

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortainePhoto d’un ressaut hydraulique en rivièreCourbes de remous (Figures extraites de Vazquez 2005 [6])Page 70 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Annexe 3 : Synthèse des différents capteursTableau construit par l’auteur sur la base de Bertrand-Krajewski et al. 2000 [3], Sadowski 2001 [5],Vazquez et al. 2007 [7], Solliec 2005 [28]Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 71

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineTypologie des sources d’anomalies par nature de capteur (tableau extrait de Hamioud 2007 [18])Page 72 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Annexe 4 : Lignes d’eau sur les DOLignes d’eau sur des DO latéraux prismatiquesSix configurations différentes sont possibles sur un déversoir latéral prismatique :Lignes d’eau sur un déversoir latéral prismatique (Figure extraite de Vazquez et al. 2006 [8])Lignes d’eau sur des DO frontauxEcoulement sur un DO frontal épais (Figure extraite de Ladreyt et al. 2005 [4])Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 73

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineRéseau de BelfortAnnexe 5 : Synoptique des réseauxDO LavandièresDO AlsaceDO AbreuvoirDO StrolzDO CorbisDO ThéâtreDO Marseille (15)DO Marseille (14)DO MoulinDO MagasinDO DegombertDO FoyerDO LeclercStationPage 74 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Réseau de BavilliersDO 3DO 2Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 75

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineAnnexe 6 : Classification des DOCritères géométriques de classification des DO (Tableau extrait de Vazquez et al. 2006 [8])Page 76 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Annexe 7 : Calcul des paramètres hydrauliques sur lessites instrumentésCalculs sur un collecteur circulaire de diamètre d :• Surface mouillée :oSi h < d : S = d²/4 (δ – sin δ cos δ) avec δ = arccos(o Si h ‘> d’ : S = π d²/4• Largeur au miroir : B = d sin δ• Rayon hydraulique :o Si h < d : Rh = d/4 (1 - sin δ cos δ )δo Si h ‘> d’ : Rh = S / (πd)d − 2h )dCalculs sur un ovoïde 600/900 :• Surface mouillée :o Si h < 0,9 m : S = -0,609081 h 3 + 0,941775 h 2 + 0,109962 ho Si h ‘> 0,9 m’ : S = 0,413 m²• Largeur au miroir :o Si h < 0,9 m : B = -99,7342 h 6 + 261,827 h 5 – 269,331 h 4 + 136,206 h 3 – 36,0612 h 2 + 5,58617ho Si h ‘> 0,9 m’ : B = 0• Périmètre mouillé :o Si h < 0,9 m : P = 33,8588 h 5 – 72,6298 h 4 + 57,4598 h 3 – 20,6959 h 2 + 5,43901 ho Si h ‘> 0,9 m’ : P = 2,38 m• Rayon hydraulique : Rh = S/PCalculs sur un ovoïde de rapport 1/3, de hauteur T :• Surface mouillée :o Si h < T : S = (Stot/1,021) [-0,587856 · (1,3h)T5 + 1,80064 · (1,3h)T4 - 2,391618 · (1,3Th) 3 + 1,83868 · (1,3h)T2 + 0,159170 · (1,3h)]To Si h ‘> T’ : S = StotAvec Stot=1,02m² pour un ovoïde T=1300 et Stot=2,25m² pour un ovoïde T=1930• Largeur au miroir :o Si h < T : B = Bmax (-24,2122 · (1,3h)T6 + 95,7393 · (1,3h)T5 – 147,173 · (1,3h)T4 +109,913 · (1,3h)T3 – 41,7703 · (1,3h)T2 + 8,40202 · (1,3h)To Si h ‘> T’ : B = 0Avec Bmax = 1 pour un ovoïde T=1300 et Bmax = 1,5 pour un ovoïde T=1930• Périmètre mouillé :o Si h < T : P = (Pmax/3,65) [-4,74088 · (1,3h)T6 + 28,6807 · (1,3h)T5 - 60,0363 · (1,3h)T4+ 57,6334 · (1,3h)T3 - 26,7494 · (1,3h)T2 + 7,67875 · (1,3h)]To Si h ‘> T’ : P = PmaxAvec Pmax =3,65 m pour un ovoïde T=1300 et Pmax =5,41 m pour un ovoïde T=1930• Rayon hydraulique : Rh = S / PRemarque : les cas où h est supérieure au « plafond » des canalisations correspondent à des mises en charge.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 77

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineAnnexe 8 : Présentation et propositions d’instrumentationdes DO de la CABOn rappelle le code couleur utilisé tout au long de ce mémoire : vert (réseau unitaire), rouge(eaux usées) et bleu (eaux pluviales ou décharge de déversoir). Le cas échéant, le parcours deseaux usées sera indiqué en traits pleins et celui des eaux pluviales / déversées en traitsdiscontinus.1. DO n°2 et n°3Page 78 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

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Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine2. DO Alsace et LavandièresPage 80 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

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Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortainePage 82 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)3. DO MagasinThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 83

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineB. Instrumentation du DO MagasinInstrumentation : vue en planLimnimètre à ultrasonsUS3DO MagasinNordDétecteur de surverseSLimnimètre à ultrasonsUS1Limnimètre à ultrasonsUS2Instrumentation : détail de l’aménagement des regards de mesure avalRéglet pourétalonnageLimnimètre1.1. US1ou US2Page 84 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Instrumentation : détail DO MagasinLimnimètre à ultrasonsPlaqueréflectriceRéglet télescopiquepourDétecteurde surverseSAsservissement et fonctionnement des capteurs :Mode de calcul :Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 85

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineStratégie d’acquisition :US1, US2 :• Temps sec :o Scrutation avec un pas de temps de 1 min.o Acquisition de la valeur moyenne h_USi sur un pas de temps de 5 min.o Si on observe une variation de plus de 2 cm sur une minute sur l’un descapteurs, passer à un pas de temps de scrutation de 10 s et d’acquisition de 1min. (seuil de 2 cm / min à adapter après quelques mesures)• Temps de pluie :o Scrutation avec un pas de temps de 10 so Acquisition de la valeur moyenne h_USi à un pas de temps de 1 min.US3 :• Temps sec :o Scrutation avec un pas de temps de 1 min.o Acquisition de la valeur moyenne h_US3 sur un pas de temps de 10 min.o Si on observe une variation de plus de 2 cm sur une minute, passer à un pas detemps de scrutation de 10 s et d’acquisition de 1 min. (seuil de 2 cm / min àadapter après quelques mesures)• Temps de pluie :o Scrutation avec un pas de temps de 10 so Acquisition de la valeur moyenne h_US3 à un pas de temps de 1 min.Lois de calcul :Equation (A) : (calcul du débit transité / conservé à l’aval)Qc_aval =0,0452 ⋅ ∆h - 0,00706∆h⋅ B( < h>) 0,0002040,00461⋅-32S( < h>) S( < h>) ⋅ Rh( < h>)avec = (h_US1 + h_US2)/2 et ∆h = h_US1 – h_US2Equation (B) : (calcul du déphasage entre le point de mesure du débit et le DO)δt = 44,127 Qc_aval -0,3057Equation (C) : (calcul du débit conservé à l’instant t sur le DO)Qc_DO (t) = Qc_aval (t + δt)Equation (D) : (calcul du débit déversé)Qd = ( - 3245,64 · Qc_DO 5 + 8938,54 · Qc_DO 4 - 9658, 78 · Qc_DO 3 +5156,39 · Qc_DO 2 - 1387,03 · Qc_DO + 157,993) · h_US3 4 + (8293,24 ·Qc_DO 5 - 22778,5 · Qc_DO 4 + 24540,5 · Qc_DO 3 - 13066,8 · Qc_DO 2 +3516,89 · Qc_DO - 407,072) · h_US3 3 + ( - 7914,33 · Qc_DO 5 + 21676,8 ·Qc_DO 4 - 23277,9 · Qc_DO 3 + 12355,6 · Qc_DO 2 – 3324,94 · Qc_DO +393,349) · h_US3 2 + (3343,22 · Qc_DO 5 - 9130,83 · Qc_DO 4 + 9771,88 ·Qc_DO 3 – 5168,36 · Qc_DO 2 + 1389,37 · Qc_DO - 168,094) · h_US3 -527,423 · Qc_DO 5 + 1436,41 · Qc_DO 4 - 1531,93 · Qc_DO 3 + 807,109 ·Qc_DO 2 - 216,552 · Qc_DO + 26,7371On rappelle que les paramètres hydrauliques (largeur au miroir, surface mouillée...) sontcalculés pour un ovoïde 600/900.Campagne de validation :On pourra disposer un débitmètre temporaire sur la conduite de décharge pour valider la loide déversement proposée ; on utilisera un vélocimètre doppler / à corrélation d’échos couplé àun limnimètre à ultrasons immergés.43Page 86 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)4. DO StrolzThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 87

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Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)5. DO Abreuvoir, Corbis et ThéâtreThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 89

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortainePage 90 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 91

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineD. Instrumentation des DO Abreuvoir, Corbis et ThéâtreInstrumentation (1) : vue en planDétecteur desurverse S1Limnimètre à ultrasons US1Regard à créerLimnimètre à ultrasons US2Regard à créerRegard à créerDO CorbisDO ThéâtreDO AbreuvoirTurbidimètre TDétecteur de surverse S2Détecteur de surverse S3Détecteur de surverse S4NordInstrumentation (2) : vue en planDétecteur desurverse S1(2) Débitmètre DDO CorbisDO ThéâtreDO AbreuvoirTurbidimètre TDétecteur de surverse S2Détecteur de surverse S3Détecteur de surverse S4NordInstrumentation (1) : détail de l’installation des limnimètresRéglet pourétalonnageLimnimètre àultrasonsPage 92 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Instrumentation : détail du DO Théâtre (à gauche) et Corbis (à droite)Détecteur desurverse S4Détecteur desurverse S3Instrumentations possibles du DO Corbis : instrumentation 1 (à gauche) et 2 (à droite)Regard existantRegard existantRegard à créerDétecteur desurverse S1Détecteur desurverse S1Détecteur desurverse S2Gaine PVC / PEHDpour glisser leturbidimètreDétecteur desurverse S2Gaine PVC / PEHDpour glisser leturbidimètreInstrumentation (2) : détail de l’installation du débitmètreSolution 2B : Vélocimètreà corrélation d’échoscroisée + Limnimètre àultrasons immergésSolution 2A : VélocimètreDoppler + Limnimètre àultrasons immergés surperche flottante2 mThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 93

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineAsservissement et fonctionnement des capteurs :Page 94 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Mode de calcul :Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 95

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineStratégie d’acquisition :US :• Temps sec :o Scrutation avec un pas de temps de 1 min.o Acquisition de la valeur moyenne h_US sur un pas de temps de 5 min.o Si on observe une variation de plus de 2 cm sur une minute sur l’un descapteurs, passer à un pas de temps de scrutation de 10 s et d’acquisition de1 min. (seuil de 2 cm / min à adapter après quelques mesures)• Temps de pluie :o Scrutation avec un pas de temps de 10 s.o Acquisition de la valeur moyenne h_US à un pas de temps de 1 min.D :• Temps sec :o Scrutation avec un pas de temps de 1 min.o Acquisition de la valeur moyenne Q_D sur un pas de temps de 5 min.o Si on observe une variation de plus de 2 cm sur une minute sur la mesure dehauteur, passer à un pas de temps de scrutation de 10 s et d’acquisition de1 min. (seuil de 2 cm / min à adapter après quelques mesures)• Temps de pluie :o Scrutation avec un pas de temps de 10 s.o Acquisition de la valeur moyenne Q_D à un pas de temps de 1 min.T :• Temps sec :o Scrutation avec un pas de temps de 1 min.o Acquisition de la valeur moyenne tu_Abreuvoir à un pas de temps de 5 min.• Temps de pluie :o Scrutation avec un pas de temps de 10 s.o Acquisition de la valeur moyenne tu_Abreuvoir à un pas de temps de 1 min.Lois de calcul :Equation (A) : (solution 1 : calcul du débit transité / intermédiaire)Q =avec0,0333⋅∆h - 0,00019∆h⋅ B( < h>) 0,0002040,00340 ⋅3-2S( < h>) S( < h>) ⋅ Rh( < h>) = (h_US1+ h_US2)/2∆h = h_US2 – h_US1Equation (B) : (calcul de la charge en MES et DCO de l’effluent transité)loi d’étalonnage propre au capteur et au site (on différenciera le temps sec dutemps de pluie)Equation (C) : (calcul du déphasage entre le point de mesure du débit et le turbidimètre)• Solution 1 : δt0 = 29,292 · Qt -0,4691• Solution 2 : δt0 = 106,13 · Q_D -0,4152Equation (D) : (calcul de la charge en MES et DCO au point de mesure du débit)C_pm(t) = C0(t – δt0)Equation (E) : (calcul du flux polluant transité)• Solution 1 : Mt = C_pm(t) · Qt(t)• Solution 2 : Mt = C_pm(t) · Q_D(t)Equation (F) : (calcul du débit déversé par le DO Abreuvoir)43Page 96 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)• Solution 1 :o si Qi < 1,930 m 3 /s : Qd_Abreuvoir = 0,985678 · (Qi – 1 ,125)o sinon : Qd_Abreuvoir = – 0,00383184 · (Qi – 1 ,125) 6 + 0,0701152 · (Qi –1 ,125) 5 – 0,495970 · (Qi – 1 ,125) 4 + 1,68902 · (Qi – 1 ,125) 3 – 2,79329 ·(Qi – 1 ,125) 2 + 2,37076 · (Qi – 1 ,125)• Solution 2 :o si Q_D < 1,953 m 3 /s : Qd_Abreuvoir = 0,9.85678 · (Q_D – 1,125)o sinon : Qd_Abreuvoir = -0,0103971 · (Q_D – 1,125) 6 + 0,165761 · (Q_D –1,125) 5 – 1,02598 · (Q_D – 1,125) 4 + 3,06267 · (Q_D – 1,125) 3 – 4,39524 ·(Q_D – 1,125) 2 + 3,03370 · (Q_D – 1,125)Equation (G) : (calcul de la charge en MES et DCO dans la conduite de déverse du DOAbreuvoir) loi d’étalonnage propre au capteur et au site (on différenciera letemps sec du temps de pluie)Equation (H) : (calcul du flux polluant déversé par le DO Abreuvoir)Md_Abreuvoir = C_Abreuvoir(t) · Qd_Abreuvoir(t)Equation (I) : (calcul du débit déversé par le DO Corbis)• Solution 1 : Qd_Corbis = 0,0102347 · (Qi – 2,64) 2 + 0,215129 · (Qi – 2,64)• Solution 2 : Qd_Corbis = 0,0265383 · (Q_D – 2,635) 2 + 0,265419 (Q_D – 2,635)Equation (J) : (calcul du déphasage entre le DO Corbis et le turbidimètre)• Solution 1 : δt_Corbis = 57,635 · Qi -0,4548• Solution 2 : δt_Corbis = 57,656 · Q_D -0,4952Equation (K) : (calcul de la turbidité au droit du DO Corbis)tu_Corbis (t) = tu_Abreuvoir (t – δt_Corbis )Equation (L) : (calcul de la charge en MES et DCO dans la conduite de déverse du DOCorbis) loi d’étalonnage propre au capteur et au site (on différenciera le tempssec du temps de pluie)Equation (M) : (calcul du flux polluant déversé par le DO Corbis)Md_Corbis = C_Corbis(t) · Qd_Corbis(t)Equation (N) : (calcul du débit déversé par le DO Théâtre)• Solution 1 : Qd_Théâtre = 0,0000816120 · (Qi – 1,08) 6 – 0,00192975 · (Qi – 1,08) 5+ 0,0174197 · (Qi – 1,08) 4 – 0,0665710 · (Qi – 1,08) 3 + 0,08.26880 · (Qi – 1,08) 2 +0,256095 · (Qi – 1,08)• Solution 2 : Qd_Théâtre = 0,00267152 · (Q_D – 1,08) 4 – 0,0149208 · (Q_D –1,08) 3 + 0,0154453 · (Q_D – 1,08) 2 + 0,282229 · (Q_D – 1,08)Equation (O) : (calcul du déphasage entre le DO Théâtre et le turbidimètre)•Solution 1 : δt_Théâtre = 168,87 · Qi -0,3613•Solution 2 : δt_Théâtre = 168,71 · Q_D –0,384Equation (P) : (calcul de la turbidité au droit du DO Théâtre)tu_Théâtre (t) = tu_Abreuvoir (t – δt_Théâtre )Equation (Q) : (calcul de la charge en MES et DCO dans la conduite de déverse du DOThéâtre) loi d’étalonnage propre au capteur et au site (on différenciera le tempssec du temps de pluie)Equation (R) : (calcul du flux polluant déversé par le DO Théâtre)Md_Théâtre = C_Théâtre(t) · Qd_Théâtre(t)On rappelle que les paramètre hydrauliques (largeur au miroir, surface mouillée...) sontcalculés pour un ovoïde 1500/1930.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 97

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineMode de fonctionnement dégradé pour la solution 1 (défaillance de l’un des limnimètres)• Mesures par US1 :o Qd_Abreuvoir = 4,3188 · (h_US1 – 0,897) 5 – 15,517 · (h_US1 – 0,897) 4 +19,215 · (h_US1 – 0,897) 3 – 9,3384 · (h_US1 – 0,897) 2 + 3,4414 · (h_US1 –0,897)o Qd_Corbis = 1,6909 · (h_US1 – 1,396) 3 – 4,1234 · (h_US1 – 1,396) 3 + 3,1769· (h_US1 – 1,396) 2 + 0,58638 · (h_US1 – 1,396)o Qd_Théâtre = 0,44632 · (h_US1 – 0,897) 4 – 1,1669 · (h_US1 – 0,897) 3 +1,2246 · (h_US1 – 0,897) 2 + 0,47650 · (h_US1 – 0,897)o Débit transité / conservé : si h_US1 ≤ 0,400 m : Q = 0,44768 · h_US1 si h_US1 > 0,400 m : Q = 0,94289 · h_US1 6 – 8,2097 · h_US1 5 +27,799 · h_US1 4 – 46,903 · h_US1 3 + 42,185 · h_US1 2 – 17,328 ·h_US1 + 2,7309• Mesures par US2o Qd_Abreuvoir = 47,961 · (h_US2 – 0,873) 6 – 166,97 · (h_US2 – 0,873) 5 +215,10 · (h_US2 – 0,873) 4 –123,05 · (h_US2 – 0,873) 3 + 30,509 · (h_US2 –0,873) 2 – 0,21583 · (h_US2 – 0,873)o Qd_Corbis = 1,6507 · (h_US2 – 1,357) 4 – 3,8208 · (h_US2 – 1,357) 3 +3,4720 ·(h_US2 – 1,357) 2 + 0,63826 · (h_US2 – 1,357)o Qd_Théâtre = 1,2193 · (h_US2 – 0,873) 4 – 2,2409 · (h_US2 – 0,873) 3 + 1,7242· (h_US2 – 0,873) 2 + 0,43545 · (h_US2 – 0,873)o Débit transité / conservé : si h_US2 ≤ 0,300 m : Q = 0,68921 · h_US2 si h_US2 > 0,300 m : Q = 1,4764 · h_US2 6 – 12,993 · h_US2 5 + 44,228· h_US2 4 – 74,543 · h_US2 3 + 66,269 · h_US2 2 – 27,542 · h_US2 +4,3857Remarque : le fonctionnement dégradé présenté et l’équation (A) sont prévus pour lesemplacements suivants des capteurs :• US1 situé 18,10 m en aval du bord aval du DO Abreuvoir• US2 situé 30 m en aval du limnimètre US1Campagnes de validationOn pourra disposer des débitmètres temporaires comme suit pour valider les lois proposées ;on utilisera des vélocimètres doppler / à corrélation d’échos couplés à des limnimètres àultrasons immergés.Débitmètre temporaireDébitmètre temporaireDébitmètre temporaireDO CorbisDO ThéâtreDO AbreuvoirNordPage 98 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)6. DO Marseille (15), Marseille (14) et MoulinThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 99

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortainePage 100 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 101

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineD. Instrumentation des DO Marseille (14), Marseille (15) et MoulinInstrumentation : vue en planLimnimètre à ultrasons US1SpectromètreUV/vis SPDO Marseille (15)Détecteur de surverse S1DO Marseille (14)Limnimètre à ultrasons US2Détecteur de surverse S2Limnimètre à ultrasons US3Débitmètreélectromagnétique DDO MoulinDétecteur de surverse S3NordInstrumentation : détail de l’instrumentation du DO MoulinInstrumentation : détail de l’aménagement des regards à l’aval du DO Marseille (14)Réglet pourétalonnageLimnimètre àultrasonsPage 102 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Instrumentation : détail de l’instrumentation du DO Marseille (15)Limnimètre àultrasons US1Réglet pour étalonnage /contrôle rapide dulimnimètreCunetteConduites de décharge dedéchargeSpectromètre SP monté sursupport (tube PVC/inox aveccontrepoids)Détecteur desurverse S1Remarque : on prendra garde à ce que le support du spectromètre ne soit pas situé dans lecône d’émission du limnimètre. On prévoira également un système autonettoyant pour lespectromètre ; on pourra installer par exemple un système par air comprimé avec desbouteilles stockées dans une armoire de rue proche. On pourra par ailleurs regrouperl’électronique des trois DO dans cette même armoire de rue.Stratégies d’acquisitionD : acquisition de Qd_Moulin à un pas de temps de 1 min .US1 :• Temps sec :o Scrutation avec un pas de temps de 1 min.o Acquisition de la valeur moyenne h_US1 sur un pas de temps de 5 min.o Si on observe une variation de plus de 2 cm sur une minute, passer à un pas detemps de scrutation de 10 s et d’acquisition de 1 min. (seuil de 2 cm / min àadapter après quelques mesures)• Temps de pluie :o Scrutation avec un pas de temps de 10 so Acquisition de la valeur moyenne h_US1 à un pas de temps de 1 min.US2, US3 :• Temps sec :o Scrutation avec un pas de temps de 1 min.o Acquisition de la valeur moyenne h_USi sur un pas de temps de 5 min.o Si on observe une variation de plus de 2 cm sur une minute sur l’un des deuxcapteurs, passer à un pas de temps de scrutation de 10 s et d’acquisition de 1min. (seuil de 2 cm / min à adapter après quelques mesures)• Temps de pluie :o Scrutation avec un pas de temps de 10 so Acquisition de la valeur moyenne h_USi à un pas de temps de 1 min.SP : Acquisition du spectre à un pas de temps de 1 minThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 103

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineAsservissement et fonctionnement des capteurs :Page 104 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Mode de calcul :Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 105

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineLois de calcul :Equation (A) : (calcul du débit transité / conservé par le DO Marseille (14))0,0197 ⋅ ∆h - 0,00177Qc_Marseille14 =∆h⋅ B( < h>) 0,0002040,00201⋅-S( < h>)3S( < h>)2 ⋅ Rh( < h>)4 3avec = (h_US2 + h_US3) /2 et ∆h = h_US3 – h_US2Equation (B) : (calcul de la charge en MES et DCO de l’effluent transité)loi d’étalonnage propre au capteur et au site (on différenciera le temps sec dutemps de pluie)Equation (C) : (calcul du déphasage entre le point de mesure du débit et le spectromètre)Equation (D) : (calcul de la charge en MES et DCO au point de mesure du débit)C_pm(t) = C0(t – δt)Equation (E) : (calcul du flux polluant transité)Mt_pm = C_pm(t) · Qc_Marseille14(t)Equation (F) : (calcul du débit déversé par le DO Marseille (15) )• Si h_US1 ≤ 0,56 m :Qd_Marseille15 : -1,18119 · m 1 · [0,016 - 0,04 · (h_US1 – 0,54) -0,2 - (h_US1- 0,54)0,8 · (h_US1-0,54) 2 + 3 · (h_US1 – 0,54) 3 ] + 0,0422594 · m• Si h_US1 > 0,56 m :Qd_Marseille15 = - 1,18119 · m1 · [0,016 - 0,04 · (h_US1 – 0,54)0,2 - (h_US1- 0,54)- 0,8 · (h_US1-0,54) 2 + 3 · (h_US1 – 0,54) 3 ] - 1,18119 · m 1 ·0,2 - (h_US1- 0,56)[0,016 - 0,04 · (h_US1 – 0,56) - 0,8 · (h_US1- 0,56) 2 + 3 · (h_US1 – 0,56) 3 ] +0,0845188 · mAvec m un paramètre proche de 0,6 à caler.Equation (G) : (calcul de la charge en MES et DCO dans la conduite de déverse du DOMarseille (15) ) loi d’étalonnage propre au capteur et au site (on différenciera le tempssec du temps de pluie)Equation (H) : (calcul du flux polluant déversé par le DO Marseille (15) )Md_Marseille15 = C_Marseille15(t) · Qd_Marseille15(t)Equation (I) : (calcul de la hauteur d’eau sur la partie aval du DO Marseille (14))Qa²0,00183 - 0,00076943S( < h>)² ⋅ Rh( < h>)hDO = h_US2 -Qa² ⋅ B( < h>)1- 0,1023S( < h>)Equation (J) : (calcul du débit déversé par le DO Marseille (14) )Qd_Marseille14 = (204,424 · h_DO 4 – 570,990 · h_DO 3 + 585,257 · h_DO 2 –261,027 · h_DO + 43,1751) · Qc_Marseille14 2 + (19,5661 · h_DO 3 – 39,1160 ·h_DO 2 + 24,658 · h_DO – 4,99641) · Q c_Marseille14 – 5,02115 · h_DO 3 +10,8225 · h_DO 2 – 6,85198 · h_DO + 1,33617Equation (K) : (calcul du déphasage entre le DO Marseille (14) et le spectromètre)δt_Marseille14= 6309,7 · Qc_Marseille14 2 – 3496,2 · Qc_Marseille14 + 598,82Equation (L) : (calcul de la charge en MES et DCO dans l’effluent arrivant sur le DOMarseille (14) ) C0_Marseille14(t) = C0(t – δt_Marseille14)Page 106 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Equation (M) : (calcul de la charge en MES et DCO dans la conduite de déverse du DOMarseille (14) ) loi d’étalonnage propre au site : lien entre C0_Marseille14 etC_Marseille14 à déterminerEquation (N) : (calcul du flux polluant déversé par le DO Marseille (14) )Md_Marseille14 = C_Marseille14(t) · Qd_Marseille14(t)Equation (O) : (calcul du déphasage entre le DO Moulin et le spectromètre)δt_Moulin = 59,725 · Qc_Marseille14 -1Equation (P) : (calcul de la charge en MES et DCO dans l’effluent arrivant sur le DOMoulin) C0_Moulin(t) = C0(t – δt_Moulin)Equation (Q) : (calcul de la charge en MES et DCO dans la conduite de déverse du DOMoulin) loi d’étalonnage propre au site : lien entre C0_Moulin et C_Moulin àdéterminerEquation (R) : (calcul du flux polluant déversé par le DO Moulin)Md_Moulin = C_Moulin(t) · Qd_Moulin(t)On rappelle que les paramètres hydrauliques (largeur au miroir, surface mouillée...) sontcalculés pour un collecteur circulaire de diamètre Ø400.LimnimètretemporaireCampagne de validation :DébitmètretemporaireDO Marseille 14La campagne de validation seraparticulièrement délicate à mener ; oninstallera tout d’abord un limnimètretemporaire (ultrason aérien,piézométrique ou bulle à bulle) pourvérifier qu’aucune mise en charge duregard de déverse ne perturbe lefonctionnement du DO ; on installeraensuite un débitmètre temporaire enamont du DO. Etant donné l’absence deregard proche, il faudra soit l’insérer dansla conduite depuis le DO, soit l’insérertrès à l’amont ; cela pose un problème visà vis des longueurs de tranquillisation, cequi empêche d’utiliser un vélocimètredoppler. On conseille donc d’utiliser unvélocimètre à corrélation d’échos coupléà un limnimètre à ultrasons immergé ; le calcul du débit déversé se fera ensuite parsoustraction du débit conservé Qc_Marseille14.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 107

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine7. DO DegombertPage 108 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)B. Instrumentation du DO DegombertInstrumentation : vue en planNordLimnimètre à ultrasonsUSSpectromètre UV/VisibleChambresouterraine àcréerDétecteur de surverseSInstrumentation : détail de l’installation du spectromètreSpectromètre SP monté sursupport (tube PVC/inox aveccontrepoids)Ecoulement detemps de pluieRemarque : on devra limiter au maximum l’encrassement dû aux flottants en temps sec(écoulement en sens inverse de celui indiqué sur le schéma). On ajustera donc le contrepoidsdu support de manière à ce que le spectromètre soit placé à une dizaine de centimètres duradier (en temps sec et en faible temps de pluie, le débit transitant dans la conduite est trèsréduit). L’inversion de l’écoulement par fort temps de pluie devrait permettre le nettoyage desflottants qui auraient pu encrasser le spectromètre. On prévoira tout de même un systèmeautonettoyant sur le spectromètre pour plus de sécurité (par exemple installation de bouteillesd’air comprimé dans le regard ou dans l’armoire de rue).Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 109

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineInstrumentation : détail DOCréation d’unechambre au niveau duDOLimnimètre àultrasons USInstallationd’une lame inoxRéglet pourétalonnage / entretiendu limnimètreDétecteurdeRemarque : la hauteur de la lame inox sera d’environ 10 cm (2 cm seraient suffisants pourstopper les déversements de temps sec, mais de cette manière on observe un marnage plusimportant dans le collecteur en passant du temps sec au temps de pluie : l’installation duspectromètre est rendue plus facile). On veillera à ce que cette hauteur de crête concorde avecl’ajustement du contrepoids du spectromètre (l’appareil doit être immergé au moment dudéversement).Page 110 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Asservissement et fonctionnement des capteurs (gauche) et mode de calcul (droite)Stratégie d’acquisition :US :• Temps sec :o Scrutation avec un pas de temps de 1 min.o Acquisition de la valeur moyenne h_US sur un pas de temps de 5 min.o Si on observe une variation de plus de 2 cm sur une minute sur l’un descapteurs, passer à un pas de temps de scrutation de 10 s et d’acquisition de 1min. (seuil de 2 cm / min à adapter après quelques mesures)• Temps de pluie :o Scrutation avec un pas de temps de 10 so Acquisition de la valeur moyenne h_US à un pas de temps de 1 min.SP : Acquisition du spectre à un pas de temps de 1 minLois de calcul :Equation (A) : (calcul du débit déversé, équation d’Aichel, voir p. 12)Q déversé = ( h0 1-250 1)· Qw zavec Q = m · L · h 0 · (2g · h 0 ) 1/2 (équation de Poleni, voir p.12)Equation (B) : (calcul de la charge en MES et en DCO)loi d’étalonnage propre au capteur retenu et au siteEquation (C) : (calcul du flux polluant déversé) Md = Qd · CThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 111

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine8. DO FoyerPage 112 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)B. Instrumentation du DO FoyerInstrumentation : vue en planRegard à créerLimnimètre à ultrasonsUS1NordDétecteur de surverseSLimnimètre à ultrasonsUS2Spectromètre UV/VisibleInstrumentation : détail de l’installation des limnimètres à ultrasonsRéglet pourétalonnageLimnimètre àultrasonsInstrumentation : détail du DOCrête à égaliserDétecteur desurverse SSpectromètre UV/VISsur flotteur SPThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 113

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineRemarque : on prévoira un nettoyage automatique du spectromètre. On pourra par exempleutiliser des bouteilles d’air comprimées stockées dans une armoire de rue proche.Asservissement et fonctionnement des capteurs :Mode de calcul :Stratégie d’acquisition :US1 et US2 :• Temps sec :o Scrutation avec un pas de temps de 1 min.o Acquisition de la valeur moyenne h_USi sur un pas de temps de 5 min.o Si on observe une variation de plus de 2 cm sur une minute sur l’un descapteurs, passer à un pas de temps de scrutation de 10 s et d’acquisition de 1Page 114 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)min. (seuil de 2 cm / min à adapter après quelques mesures) pour les deuxcapteurs.• Temps de pluie :o Scrutation avec un pas de temps de 10 so Acquisition de la valeur moyenne h_USi à un pas de temps de 1 min.SP :• Temps sec : Acquisition du spectre à un pas de temps de 5 min• Temps de pluie : Acquisition du spectre à un pas de temps de 1 minLa fréquence d’autonettoyage du spectromètre sera prise égale aux recommandations duconstructeur de l’appareil.Lois de calcul :Equation (A) : (calcul du débit transité / amené)Qa =avec0,0213⋅∆h - 0,00084∆h⋅ B( < h>) 0,0002040,00217 ⋅3-2S( < h>) S( < h>) ⋅ Rh( < h>) = (h_US1 + h_US2)/2∆h = h_US2 – h_US1Equation (B) : (calcul de la charge en MES et DCO)loi d’étalonnage propre au capteur et au site (on différenciera le temps sec dutemps de pluie)Equation (C) : (calcul du flux polluant transité / conservé) Mc = ( – ) · CAvec et la moyenne des débits amenés et déversés sur le pas detemps d’acquisition du spectromètre.Equation (D) : (calcul du déphasage) δt = 21,537 · Qa -0,5841Equation (E) : (calcul du débit amené instantané sur le DO) Qa_DO (t) = Qa (t - δt)Equation (F) : (calcul de la hauteur amont sur le DO)Qa²0,00168 - 0,00040843S( < h>)² ⋅ Rh( < h>)ha = h_US2 +Qa² ⋅ B( < h>)1- 0.1023S( < h>)Equation (G) : (calcul du débit déversé)Qd = ( -63.6588 · ha 5 + 369.650 · ha 4 - 854.557 · ha 3 + 982.309 · ha 2 - 561.075 · ha + 127.404)· Qa_DO 3 + (56.5458 · ha 5 - 378.370 · ha 4 + 981.941 · ha 3 - 1242.49 · ha 2 + 769.192 · ha -186.927) · Qa_DO 2 + (46.8047 · ha 4 - 212.491 · ha 3 + 359.596 · ha 2 - 268.274 · ha + 74.3912)· Qa_DO + 0.164592 · ha 2 + 0.836793 · ha - 0.824486Remarque : les équations (A) et (F) sont valables si le nouveau regard est créé 2 m à l’amontdu bord amont du DO. Dans le cas où il faudrait le déplacer, il faudrait repartir de l’équationdes courbes de remous (équation 2). On rappelle que les paramètres hydrauliques (largeur aumiroir, surface mouillée, etc.) sont calculés pour un ovoïde 1000/1300.Campagne de validation :On pourra disposer un débitmètre temporaire sur la conduite de décharge pour la loi dedéversement proposée ; on utilisera de préférence un vélocimètres à corrélation d’échoscouplé à un limnimètre à ultrasons immergés.43Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 115

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine9. DO LeclercPage 116 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)B. Instrumentation du DO LeclercInstrumentation : vue en plan (gauche) et vue en coupe de la crête du DO (droite)Détecteur de surverseLimnimètrepiézorésistif PDétecteur desurverse S2Vanne permettant lenettoyage par aircomprimé de lapartie basse du puitsDO LeclercSpectromètreUV/VIS SPDétecteur desurverse S1Capteur de fin de courseArrivée d’aircompriméNordInstrumentation : détail du DODéflecteursprotégeant le puitsde l’encrassementLimnimètrepiézorésistif PDétecteur de surverseS2Vanne pour entretien dupuitsSpectromètre SPsur flotteurDétecteur de surverseS1Limnimètre piézorésistifP dans puits detranquillisationRemarque : on prévoira un nettoyage automatique du spectromètre et du puits detranquillisation. On pourra par exemple utiliser des bouteilles d’air comprimé stockées dansune armoire de rue proche. Les déflecteurs pourront être découpés dans des coudes de tuyauxen PVC.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 117

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineAsservissement et fonctionnement des capteurs :Mode de calcul :P :Stratégie d’acquisition :• Temps sec :o Scrutation avec un pas de temps de 1 min.o Acquisition de la valeur moyenne h_P sur un pas de temps de 5 min.o Si on observe une variation de plus de 2 cm sur une minute sur l’un descapteurs, passer à un pas de temps de scrutation de 10 s et d’acquisition de 1min. (seuil de 2 cm / min à adapter après quelques mesures)Page 118 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)• Temps de pluie :o Scrutation avec un pas de temps de 10 so Acquisition de la valeur moyenne h_P à un pas de temps de 1 min.SP :• Temps sec : Acquisition du spectre sur un pas de temps de 5 min.• Temps de pluie : Acquisition du spectre sur un pas de temps de 1 min.Lois de calcul :Equation (A) : (calcul du débit transité)o Si h < 0,376 : Qc = – 4,80832 · h_P 3 + 3,97999 · h_P 2 – 0,0912280 · h_Po Si h > 0,376 : Qc = 0,0793671 · h_P 5 – 0,601936 · h_P 4 + 1,73130 · h_P 3 –2,36205 · h_P 2 + 1,71923 · h_P – 0,120346Equation (B) : (calcul de la charge en MES et DCO)loi d’étalonnage propre au capteur et au site (on différenciera le temps sec dutemps de pluie)Equation (C) : (calcul du flux polluant transité) Mc = · CAvec la moyenne du débits conservé sur le pas de temps d’acquisitiondu spectromètre.Equation (D) : (calcul du débit déversé avec les vannes ouvertes)o Si 1,061 < h aval ≤ 1,2Qd = 1251,83 · h_P 4 – 4062,19 · x 3 + 4394,88 · x 2 – 1586,25 · x + 1,06100o Si h aval > 1,2Qd = 1,99746 · x 4 – 13,3554 · x 3 + 33,2669 · x 2 – 33,9729 · x + 11,9912Equation (E) : (calcul du débit déversé avec les vannes fermées,équations d’Aichel et de Poleni, voir p. 12)Q déversé = ( h0 1-250 1)· m · L · hw z0 · (2g · h 0 ) 1/2avec Q = (équation de Poleni, voir p.12)En première approximation (c’est à dire avant calage) on pourra utiliserl’expression suivante : Qd = -6,42118 · h_P 3 + 5,10261 · h_P 2 + 1,28202 · h_PEquation (F) : (calcul du flux polluant déversé) Md = Qd · CRemarque : on observe bien des déversements pour une hauteur d’eau aval inférieure à lahauteur de crête (1,09 m). En effet, pour les faibles débits, la théorie prédit une ligne d’eaudécroissante sur le DO.Campagne de validation :On pourra disposer un débitmètre temporaire sur la conduite de décharge pour valider ou calerles lois proposées ; on utilisera un vélocimètre doppler / à corrélation d’échos couplé à unlimnimètre à ultrasons immergés.Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 119

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortaineAnnexe 9 : Nœuds restant à instrumenter sur les réseauxRéseau de BelfortNœuds restant à instrumenterNœuds dont l’instrumentation a été proposée dans cette étudePage 120 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération Belfortaine (90)Réseau de BavilliersNœuds restant à instrumenterNœuds dont l’instrumentation a été proposée dans cette étudeThomas GrandjeanIngénieur stagiaire- Mémoire de fin d’études - Page 121

Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Cas pratique de laCommunauté de l’Agglomération BelfortainePage 122 - Mémoire de fin d’études -Thomas GrandjeanIngénieur stagiaire

Ecole Nationale du Génie de l'Eauet de l'Environnement de StrasbourgCommunauté del’Agglomération BelfortaineMEMOIRE DE FIN D'ETUDESDiplôme(s) : Ingénieur diplômé de l’ENGEESSpécialité : Génie UrbainAuteur : Thomas GRANDJEAN Année 2008Titre : Instrumentation des réseaux d’assainissement et déversoirs d’orage – Caspratique de la Communauté de l’Agglomération BelfortaineNombre de pages (version papier) : texte : 62 p. annexes 38 p.Nombre de références bibliographiques : 39Structure d'accueil : Communauté de l’Agglomération BelfortaineDirection de la Salubrité et du Cadre de VieMaintenance Eau et Assainissement10 Boulevard Henri Dunant90012 Belfort CedexMaître de stage : Ms. Bernard VERNIER et Hugues REYMONDRésumé :L’arrêté du 22 juin 2007 impose l’autosurveillance des réseaux d’assainissement et deleurs déversoirs d’orage. Cette étude a pour objet l’instrumentation des ouvrages de deuxagglomérations d’assainissement de la Communauté de l’Agglomération Belfortaine(Bavilliers et Belfort) et s’articule en deux étapes :• Etude du cadre législatif et technique de l’autosurveillance : réglementation,métrologie et modèles prédictifs, optimisation d’une chaîne de mesure.• Application au cas pratique de la CAB : identification des ouvrages, métrologie,asservissements, calculs et validation.Mots-clésAutosurveillance, Assainissement, Déversoir d’orage, Débitmétrie, Eaux usées,Métrologie, Modélisation, Pollution, Rejets urbains de temps de pluie