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Modernisation d’un déversoir d’orage des Hauts-de- the department of Hauts-de-Seine (France)

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Modernisation d’un déversoir d’orage des Hauts-de- the department of Hauts-de-Seine (France)
NOVATECH 2010
Modernisation d’un déversoir d’orage des Hauts-deSeine à l’aide d’une vanne Déomatic
Modernising CSOs, with a Deomatic gate: experience in
the department of Hauts-de-Seine (France)
Helie Samuel (1), Roux Christian (2), Sikora Bernard (3)
(1) SEVESC - Assainissement des Hauts-de-Seine, 92150 Suresnes –
[email protected]
(2) Conseil Général des Hauts-de-Seine – Direction de l’eau, 2/16 Bd Soufflot,
92015 Nanterre Cedex – [email protected]
(3) Hydrass
[email protected]
RÉSUMÉ
Le Conseil Général des Hauts-de-Seine est responsable d’un réseau de transport assainissement de
617 km, essentiellement unitaire. Ce réseau est équipé de 127 déversoirs d’orage, la plupart faisant
l’objet d’un suivi au titre de l’autosurveillance. Dans le cadre de ses objectifs de maîtrise des rejets
vers le milieu récepteur, la Seine, ces déversoirs d’orage sont appelés à être modernisés. Une
vingtaine de vannes secteurs asservies sont actuellement exploitées en vue de mieux contenir les
effluents dans le réseau en temps de pluie. Une solution plus légère que la pose d’une vanne secteur
asservie est ici envisagée. Le matériel testé est le Déomatic conçu par la société Hydrass. La
présente communication porte sur les avantages et inconvénients de cette solution alternative ainsi
que sur les précautions à prendre préalablement à sa mise en œuvre au sein d’un réseau
d’assainissement régulé. Les bénéfices de cet équipement sont évalués par modélisation : gain sur
les bilans de rejet ; comportement en cas de forte pluie. Ces bénéfices théoriques évalués a priori
seront vérifié a posteriori à l’aide d’une campagne de mesure.
ABSTRACT
The Hauts-de-Seine county (near Paris) operates a 617 km long man-entry combined sewer system.
This network is equipped with 127 combined sewer overflows, most of them being monitored
according to the french sewer systems self monitoring rules. In order to reduce the overflow to the
River Seine, these CSOs will be modernised. About twenty regulated gates are already operated for
enhancing the network storage capacity in wet weather conditions. A lighter solution than the
regulated gate is here assessed, the so-called Déomatic, designed by the french society Hydrass. The
present paper is dealing with the benefits and disadvantages of this simple and robust solution, as well
as the precaution of use inside a regulated sewer network. Benefits of this device are assessed prior
to the project, with the use of hydraulic modelling: sewer overflow reduction, behaviour in case of
heavy rainfall. These benefits will be checked in the future, through a monitoring campaign.
MOTS CLÉS
Autosurveilllance, déversoirs d’orage, métrologie, modélisation
1
SESSION 2.3
1
RECHERCHE D’UN EQUIPEMENT ALTERNATIF A LA POSE DE VANNES
SECTEUR POUR MODERNISER UN DEVERSOIR D’ORAGE
1.1
Les déversoirs d’orage du réseau d’assainissement du Département des
Hauts-de-Seine et leurs besoins de modernisation
Le réseau départemental d’assainissement est équipé de 127 déversoirs d’orage. Ces déversoirs
présentaient initialement tous la forme de baies statiques : barrage à poutrelles, muret, seuil, …
Depuis quelques années, le Conseil Général a entrepris la modernisation de ces ouvrages en
remplaçant certains d’entre eux par des vannes secteurs asservies, permettant une régulation du
niveau amont et par suite, une baisse de la fréquence des déversements et des volumes d’effluents
rejetés en temps de pluie. Cette orientation est confirmée par le schéma départemental
d’assainissement, adopté en décembre 2005 par le Conseil Général.
La réhabilitation d’un déversoir statique par une vanne secteur asservie permet dans certains cas
d’envisager la fermeture d’anciens déversoirs statiques de faibles capacités, situés à proximité de
l’ouvrage nouvellement mis en service. En effet, ces déversoirs présentant une plus forte capacité, il
n’est pas nécessaire de maintenir la même densité de déversoirs statiques que celle qui pré-existait.
Pour autant, faut-il nécessairement fermer ces déversoirs ? Peut-être est-il plus judicieux de les
conserver en restreignant leur rôle à celui de soupape de sécurité, en cas de risque de mise en
charge ou de débordement.
En tant que délégataire exploitant les réseaux d’assainissement départementaux, la SEVESC, Société
des Eaux de Versailles et Saint-Cloud, a proposé à la Direction de L’Eau des Hauts-de-Seine la mise
en place pour essai d’un Déomatic, ou vanne basculante, sur un site situé à Colombes. Cet
équipement permet de répondre à plusieurs besoins du maître d’ouvrage, notamment la suppression
des déversements lors des petites pluies, par suite la réduction des rejets de flottants en Seine, et ce
tout en maintenant la capacité du déversoir à protéger le secteur concerné contre des mise en charge
et des débordements.
Afin de tester l’équipement pressenti, la SEVESC a proposé d’en installer une unité sur un déversoir
statique situé au milieu d’un bief contrôlé respectivement en amont et en aval par une vanne secteur
régulée.
1.2
Le cas particulier du déversoir d’orage Péguy, à Colombes
Le déversoir « Péguy » est situé sur un collecteur longeant la Seine et faisant le lien entre deux
bassins versants. Le bief est équipé de deux seuils asservis en amont et en aval du déversoir d’orage
étudié (seuils « Pont de Bezons » et « Frankenthal »). Il est possible d’utiliser ce collecteur en
inversant les sens d’écoulement lors des phases d’arrêt de la station Paul Bert pour opération de
maintenance ou de renouvellement : les niveaux d’eau sont alors plus élevés, sans qu’il n’y ait besoin
pour autant de modifier les consignes de régulation des seuils asservis.
La modernisation du déversoir Péguy doit permettre de répondre aux différents objectifs suivants :
-
la réduction de la fréquence de sollicitation, et si possible la suppression des rejets pour les
pluies autres qu’exceptionnelles ;
-
par suite, la réduction des volumes d’effluents rejetés en Seine ;
-
par suite, la réduction des quantités de flottants rejetés en Seine ;
-
la protection contre les retours d’eau en période de crue de Seine.
Objectif de diminution des déversements
L’enjeu est d’utiliser les capacités de stockage du collecteur tout en garantissant la lutte contre les
inondations. Cet objectif est déjà atteint en partie par l’existence des deux seuils asservis qui
permettent de réguler de façon optimum le niveau d’eau dans le collecteur en deux points :
2
NOVATECH 2010
-
-
Le seuil « Pont de Bezons » est situé en amont du bassin versant étudié, mais aussi en aval
du bassin versant « supérieur ». Cet ouvrage détermine la part rejetée en Seine et la part
transférée au bassin versant étudié ; sa consigne de régulation du niveau d’eau amont est de
25.00 mNGF, ce qui permet la sollicitation maximale du T230/130 sans mis en charge ;
Le seuil « Frankenthal », situé en aval protège la station de pompage et le quartier en cas de
niveau haut ; sa cote de régulation du plan d’eau amont est de 24,50 mNGF, ce qui permet la
sollicitation maximale du T230/130 sans mis en charge.
Ces deux ouvrages apportent un gain appréciable par rapport aux déversoirs à seuil fixe classiques,
en permettant de relever le niveau de premier déversement, tout en garantissant, grâce à leur faculté
d’effacement, une meilleure sécurité en cas de pluie exceptionnelle.
Cependant, la gestion des eaux de pluie n’est pas optimisée pour les raisons suivantes :
- l’existence d’un petit déversoir statique, le déversoir « Péguy », causant des déversements de
façon régulière, limite la sollicitation des seuils asservis ; la cote de premier déversement de
ce déversoir est située à 24.30 mNGF, soit 70 cm sous la cote de régulation du seuil asservi
amont et 20 cm sous la cote de régulation du seuil asservi aval ;
- les phases d’utilisation du collecteur en mode inversé, c'est-à-dire lorsque l’écoulement est
forcé vers l’amont lors de phase de maintenance ou de chômage de la station Paul Bert ou de
l’émissaire du SIAAP, Syndicat Interdépartemental pour l’Assainissement de l’Agglomération
Parisienne, situé plus en aval, causent des déversements plus fréquemment que nécessaire.
Aucun dispositif existant dans le système ne nous permet alors d’agir en garantissant une
sécurité en cas de niveau très haut.
Objectif de rétention des flottants
La SEVESC a déjà testé différents mécanismes de rétention de flottants (barreaux, chaînes, etc.),
avec des résultats mitigés. Cette recherche a débouché sur la conclusion qu’en matière de maîtrise de
rejet de flottant sur des déversoirs existants, la meilleure solution consisterait plutôt à jouer sur les
deux facteurs suivants :
-
réduire la fréquence des déversements ;
-
éviter la formation d’une zone morte favorable à l’accumulation de flottants immédiatement
devant le déversoir.
Objectif de gestion de crues
Le déversoir étudié étant raccordé à la Seine, il est soumis directement aux crues éventuelles du
fleuve. A cet effet, l’ouvrage est équipé d’une vanne de crue permettant de l’isoler pour ces périodes,
une station de pompage en mode crue prenant alors le relais en cas de pluie importante.
Cependant, les passages en crue et les montées temporaires du niveau de la Seine engendrent des
entrées d’eau de Seine dans le laps de temps, relativement court, précédant les fermetures des
vannes de crue du secteur. La mise en place d’un dispositif faisant office de clapet permettrait de
gérer ces phases temporaires avant la mise en œuvre des vannes de crue.
3
SESSION 2.3
La Seine
Vanne secteur
asservi Pont de
Bezons
DO Péguy
Collecteur unitaire T230/130
Bassin versant
supérieur
Schéma synoptique de fonctionnement du secteur étudié
Déversoir Péguy, vu depuis le collecteur T230/130 amont
4
Vanne
secteur
asservi
Frankenthal
Station de
pompage
Paul Bert
NOVATECH 2010
2
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU DEOMATIC
2.1
Fonctionnement global
Le réseau contient donc les eaux le plus longtemps possible pour profiter au mieux de son effet de
stockage et retarder le déversement dans le milieu naturel, jusqu’au moment où la consigne contre le
déversement prévaut. Le niveau ayant atteint cette cote de consigne, le volet du déomatic bascule par
rapport à son axe horizontal et ouvre une grande section de passage qui permet l’écoulement d’un
débit qui, pour une même valeur de retour, demanderait la construction d’un seuil fixe très long. Le
déomatic (système breveté) fonctionne de façon autonome et ne nécessite pas d’énergie extérieure
pour s’ouvrir ou se refermer. Le Déomatic se referme grâce à l’utilisation combinée de ressort de
rappel et d’un contrepoids.
En position normale, le volet du Déomatic est fermé et peut empêcher toute remontée d’eau depuis
l’aval vers le réseau par l’adjonction d’un clapet anti retour dans la partie sous axe.
Un contacteur est solidarisé au volet basculant et comptabilise le nombre de déversement ainsi que
leur durée.
2.2
Détermination de la cote de basculement
Le Déomatic fonctionne avec plusieurs paramètres :
-
La section de passage S : c’est la section disponible pour le transit des effluents lors des
déversements
-
La cote de basculement C : c’est la cote pour laquelle la vanne s’ouvre
-
La position de l’axe de basculement par rapport au point bas de la vanne (h).
5
SESSION 2.3
Le calcul permet de montrer que la vanne est soumise à un moment autour de son axe, moment
variable en fonction de la hauteur d’eau. Pour une vanne rectangulaire, cette force entraîne le
basculement de la vanne dès lors que le niveau d’eau N est tel que
N = C = position du point bas de la vanne + 3 x h
L’expérience montre qu’il préférable de ne pas avoir un axe trop loin du tiers de la hauteur du
Déomatic, sous peine d’avoir à mettre en œuvre des contrepoids trop important. Avec ce réglage, la
vanne bascule lorsque le niveau atteint la partie supérieure du Déomatic.
Déomatic en cours de pose
2.3
Equipement terminé
Références
L’agglomération d’Orléans depuis plusieurs années a mené une campagne de protection de ses
réseaux par l’installation de huit Déomatics. Deux supplémentaires sont en cours, sur un collecteur,
avec comme priorité de se protéger des crues, il s’en est suivi un meilleur classement de
6
NOVATECH 2010
l’agglomération pour la qualité d’eau en Loire et un meilleur fonctionnement de sa métrologie.
3
ETUDES PREALABLES A L’INSTALLATION DU DEOMATIC
En tant que solution alternative à la mise en place d’un équipement asservi, le Déomatic n’offre
probablement pas le même niveau de performance qu’un équipement asservi au niveau d’eau amont.
En raison du degré de complexité du fonctionnement du réseau concerné, soumis à la régulation de
deux vannes secteur mais aussi d’une station de pompage aval, seule la modélisation hydraulique
permet d’estimer le bénéfice potentiel de ce type d’équipement par rapport à la situation présente.
Les cotes d’ouverture et de fermeture de la vanne sont déterminées une fois pour toute. On peut
concevoir que le bénéfice d’un tel équipement est maximal si au cours d’un événement pluvieux
donné, le niveau d’eau se maintient en deçà de la cote de déclenchement de la vanne. De même, dès
lors que la vanne vient à s’ouvrir, on conçoit également qu’une bonne partie du bénéfice espéré
disparaît car toute la tranche d’eau stockée entre la cote déclenchement et la cote de fermeture se
retrouve libérée vers le milieu récepteur.
3.1
Les contraintes prises en compte
Les différentes contraintes à prendre en compte lors de la conception ou de la modernisation d’un
déversoir d ‘orage sont les suivantes :
-
ne pas dégrader le niveau de protection existant contre les débordements du réseau ;
-
dans le cas particulier du DO Péguy, limiter les risques de mise en charge du collecteur
principal T230/130, situé à une faible profondeur, au voisinage d’un point bas du terrain
naturel ; Cette contrainte impose le déclenchement de la vanne à la cote maximale de 25,10
mNGF, pour 20 cm de garde avant mise en charge ;
-
dans le cas particulier du DO Péguy, situé au milieu d’un bief contrôlé respectivement en
amont et en aval par deux vannes secteur régulées, il semble essentiel d’ajouter comme
contrainte supplémentaire, la nécessité d’éviter tout déclenchement de la vanne tant que le
niveau d’eau s’établissant dans le bief ne se trouve pas sous contrôle des dites vannes. Cette
contrainte impose un déclenchement de la vanne à la cote minimale de 24,75 mNGF.
Dans ces conditions, il apparaît que la cote de déclenchement de 25.10 mNGF répond aux deux
dernières conditions. Le travail de modélisation a consisté à vérifier pour cette cote de
déclenchement :
-
l’impact par rapport à la situation antérieure de la présence de la vanne sur la ligne d’eau en
cas de pluie exceptionnelle (hypothèse de pluie décennale, type pluie de projet double
triangle) ; deux raisons justifient cette vérification : premièrement le début du délestage en cas
de pluie exceptionnel se produit à une cote plus élevée qu’auparavant ; deuxièmement en
raison de son installation dans la galerie de rejet existante – sans création de chambre - la
section de le vanne nouvellement installée est plus faible que celle de la galerie du déversoir.
-
le gain théorique sur le bilan de rejet en Seine pour les pluies de période de retour 1 mois et
pour la pluie de référence retenu en zone centrale d’Ile-de-France par le SIAAP (Syndicat
Interdépartemental d’Assainissement de l’Agglomération Parisienne) dans le cadre de son
schéma directeur (pluie triangle de durée 4 heures et de hauteur totale 16 mm – cette pluie
présente une période de retour estimée entre 6 mois et 9 mois).
3.2
Modélisation de la vanne Déomatic
La vanne Déomatic est modélisée comme deux équipements disposés en parallèle entre un nœud
amont au niveau du collecteur principal et nœud aval, en tête du collecteur de décharge. Ces deux
équipements sont respectivement :
-
un déversoir, représentant le passage libéré au dessus de l’axe de la vanne lorsque celle-ci
est en position ouverte ;
-
un orifice, représentant le passage libéré sous l’axe de la vanne lorsque celle-ci est en
position ouverte.
7
SESSION 2.3
Le premier de ces deux équipements est représenté par un seuil régulé selon le principe suivant :
-
le seuil est ouvert lorsque le niveau d’eau amont devient supérieur à la cote de consigne
d’ouverture de la vanne – sa cote est alors fixée à la cote de l’axe de la vanne ;
-
le seuil est fermé lorsque le niveau d’eau amont devient inférieur à la cote de consigne de
fermeture de la vanne – sa cote est alors fixée à la cote de l’arrête supérieure de la baie de
déversement.
Le second de ces deux équipements est représenté par un orifice régulé selon le principe suivant :
-
l'orifice est fermé lorsque le seuil est fermé ;
-
l'orifice est ouvert, lorsque le seuil est ouvert.
Les états intermédiaires de la vanne entre sa position ouverte et sa position fermée sont supposés
transitoires et de courte durée. Il est fait l’hypothèse dans le modèle que la vanne passe
instantanément de la position ouverte à la position fermée et réciproquement dès lors que les
conditions de cote amont sont remplies.
En raison des pertes de charges liées à la forme de l’équipement, les coefficients de débit retenus
respectivement pour modéliser le déversoir et l’orifice sont réduits de 20% par rapport aux valeurs
standards proposée dans la littérature pour des seuils à paroi mince et des orifices à paroi mince.
La gestion des états d'ouverture et de fermeture de la vanne est prise en charge par l'intermédiaire du
module "Real Time Control" d'Infoworks, qui les définit à chaque pas de temps en fonction du niveau
d'eau en amont de la vanne.
Les débits calculés respectivement au dessus du seuil, et à travers l'orifice, lorsque la vanne est
ouverte, le sont respectivement à l'aide d'une loi de seuil classique et d'une loi d'orifice classique :
- loi de seuil : Q = µs.L.(2g)1/2.(Ham-Hs)3/2
- loi d'orifice : Q = µorif.S. (2g)1/2.(Ham-Horif)1/2
avec :
3.3
-Q
le débit en m3/s ;
- µs
le coefficient de débit du seuil ;
- µorif
le coefficient de débit de l'orifice ;
-L
la largeur utile du seuil, en m ;
-S
la section de l'orifice (clapet ouvert) en m ;
-g
l'accélération de la pesanteur, en m/s- ;
- Ham
le niveau d'eau en amont de la vanne, en m ;
- Hs
la cote de déversement du seuil, égal à la cote de l'axe de la vanne, en m ;
- Horif
la cote de l'axe de l'orifice, en m.
2
2
Résultats des simulations
Les résultats des différents tests sont rassemblés dans les tableaux suivants.
8
 de hauteur d’eau
Cote maximale
atteinte (m NGF)
Marge par rapport au
terrain naturel (m)
supplémentaire en réseau (m)
Situation Actuelle
25.89
-0.91
-
DO à 25.05
26.12
-0.68
0.22
DO à 25.20
26.11
-0.69
0.22
DO à 25.35
26.11
-0.69
0.22
DO à 25.50
26.10
-0.70
0.21
Situation testée
NOVATECH 2010
DO fermé
26.48
-0.32
0.59
Impact théorique de la présence de la vanne Déomatic sur le niveau d’eau maximum atteint au droit du point bas
du tronçon
Niveaux d'eau en m
Nmax au
point bas
Marg
e/
TN
Perte /
situat°
actuelle
Déversements en Seine m3
DO Pont
DO
de Bezons Péguy
DO
Frankenthal
Total
Gain /
situat°
actuelle
Pluie T = 1 mois
Actuelle
24.62
-2.18
-
350
480
0
830
-
Future
24.68
-2.12
0.05
360
0
0
360
-57%
Pluie de référence 16 mm du SIAAP (pluie de durée 4 heures de période de retour 6 à 9 mois)
Actuelle
24.75
-2.05
-
Future
24.90
-1.90
0.16
1 510 2 070
1 720
0
0
3580
-
680
2400
-33%
Impact théorique de la vanne Déomatic sur les bilans de rejets ne rejet en Seine
Ces éléments théoriques montrent que par rapport à la situation actuelle, la présence de la vanne
Déomatic se traduit par une élévation du plan d’eau d’environ +20 cm en situation de pluie décennale.
Ils montrent également une réduction possible de plus 50% des rejets en situation de pluie mensuelle
et de près d’un tiers des rejets pour la pluie de référence considérée en zone centrale d’Ile-de-France.
Au regard de ces bénéfices, la légère élévation du plan d’eau maximal estimé en situation de pluie
exceptionnelle est jugée acceptable.
4
CONCLUSIONS - PERSPECTIVES
Dans le cadre des objectifs de maitrise des rejets en temps de pluie de son réseau d’assainissement
unitaire, le Service d’Assainissement des Hauts-de-Seine a testé à l’aide de son modèle hydraulique
l’intérêt potentiel de l’installation d’une vanne Déomatic sur l’un de ses déversoirs d’orage. Malgré la
simplicité de sa conception, et sous réserve d’une étude soigneuse de ses conditions de réglage, les
tests théoriques de cet équipement montrent dans le cas particulier un bénéfice substantiel sur les
bilans de rejet au milieu récepteur, sans modification significative des conditions de protection contre
les débordements. Ces résultats restant à ce stade essentiellement théoriques, le test sera poursuivi
après installation de la vanne, sous la forme d’une campagne de mesure destinée à valider le
comportement pressenti de la vanne, en condition réelle d’exploitation. Cette campagne de mesure
permettra de valider a posteriori, les cotes d’ouverture et de fermeture de la vanne, de même que les
débits traversiers obtenus pour différents niveaux d’eau amont. Le suivi concernera également le bilan
global de rejet de l’ensemble du bief concerné, de manière à apprécier les éventuels reports de rejets
via les déversoirs d’orages situés en amont et en aval de la vanne nouvellement installée.
9
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