[PDF] Assainissement Urbain traitement d'épuration des eaux

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Université des Sciences et de la Technologies d'Oran

Faculté d'architecture et de génie Civil

Département d'hydraulique

Polycopie de cours

Assainissement Urbain

et initiation au logiciel " COVADIS assainissement » Destiné aux étudiants de Master, Spécialité : Hydraulique

Elaboré par Dr. MOKADEM Maamar

20 20

Préambule

Ce polycopié d'Assainissement urbain est un support pédagogique spécialisé. Il est destiné aux étudiants de la 3

ème

Licence et la 1

ère

année Master spécialité Hydraulique ainsi que pour les étudiants Master en fin de cycle pour leurs projets de fin d'étude.

L'objectif de

ce polycopié est de mettre à la disposition des étudiants un outil efficace pour leur permettre de maitriser la conception, le dimensionnement et le calcul hydraul ique des ouvrages d'assainissement urbain. Il est articulé en trois parties: un rappel de cours, essentiellement axé sur le dimensionnement, suivi d'une série d'exercices afin d'initier l'étudiant à la maîtrise du sujet et enfin une initiation au logiciel Covadis. Un " Guide Technique pour l'élaboration d'un projet d'assainissement » est présenté à la fin du polycopié. 1 I. Généralité : Règles techniques de conception d'un réseau d'assainissement

I.1 Définition de l'Assainissement

L'assainissement est l'ensemble des moyens de collecte, de transport et de traitement d'épuration des eaux usées et des eaux pluviales avant leur rejet dans le milieu naturel ou réutilisation.

I.2 Objectif de l'assainissement

Assurer l'évacuation et le traitement des eaux usées et des eaux pluvial le plus rapidement possible en minimisant les risques pour la santé et pour l'environnement ; Assurer la protection des biens et des personnes (pour une intensité de pluie choisie).

I.3 Classification des eaux

Les eaux usées domestiques

Après utilisation de l'eau par les consommateurs, les eaux usées domestiques sont évacuées. Elles sont essentiellement porteuses de pollution organique.

Elles se répartissent :

- en eaux ménagères, qui ont pour origine les salles de bains et les cuisines, et sont généralement chargées et détergents, de graisses, de solvants, de débris organiques,... en eaux de vannes : il s'agit de rejets de toilettes, chargés de divers matières organiques azotées et de germes fécaux. La pollution journalière, produite par une personne utilisant, en moyenne, 150 litres d'eau par jour, est donnée par le tableau

N°01

2 Tableau N°01 : La pollution journalière produite par une personne

Paramètres Quantité (g)

MES 90

DBO 5 120

DCO 60

Matières Azotées (MA) 15

Matières Phosphorées (MP) 4

Les eaux usées industrielles

Les caractéristiques des

eaux usées industrielles varient d'une industrie à l'autre. En plus de matières organiques (MO), matières Azotées et phosphorées, elles peuvent également contenir des produits toxiques, des métaux lourds, des hydrocarbures.

Les eaux industrielles sont classées

dans le tableau N°02 ci après :

Tableau N°02

: Classes des eaux industrielles

Classes ou catégories Types d'industrie

1. Les eaux à pollution minérales

2. Les eaux à pollution organique

3. Les eaux à pollution mixte

4. Les eaux à pollution radioactives

5. Les eaux à pollution d'origine accidentelles

Industrie minière, fonderie.

Industrie agro-alimentaires.

Industrie du papier, de textiles.

Industrie

nucléaire.

Fuites d'hydrocarbures.

3

Les eaux pluviales

Les eaux de pluies se chargent d'impuretés au contact de fumées industrielles puis des résidus comme les carburants, métaux lourds, huiles...pendant leur ruissellement sur les toits et chaussées. En plus de leurs pollutions, les eaux de pluies présentent des risques d'inondation et débordement dans les milieux urbains et perturbent le fonctionnement de la STEP pendant les orages dans le cas des systèmes unitaires.

I.4 Différents systèmes d'assainissement

Il existe deux types d'assainissement :

1. L'assainissement autonome : ou appelé individuel, il est conçu pour les

habitations éloignés difficile ou impossible de les reliés aux réseaux public. Dans ce cas les eaux usées sont récupérées par une fosse septique.

2. L'assainissement collectif : il est assuré par un réseau de collecte qui

recueillent les eaux usées et les acheminent vers la STEP.

Il existe trois types de réseaux de collecte :

Système unitaire

L'évacuation des eaux (EU et EP) est assurée par un réseau unique.

Avantages :

économique (coût plus bas)

facilite de branchement et de mise en oeuvre.

Inconvénients :

- pollution relative du milieu récepteur 4 - Sédimentation par temps sec perturbation du fonctionnement de la station d'épuration

Système séparatif

Il est compose de deux conduites distinctes, l'une collecte les eaux pluviales et l'autre les eaux usées.

Avantages :

- la station d'épuration est simplement dimensionnée (faible) - fonctionnement efficace de la station d'épuration.

Inconvénients :

- mise en œuvre du système séparatif (coût élevé) - problème de raccordement - pollution des eaux des premières pluies subsistent dans le milieu d'habitation récepteur. Figure N°01 : Schéma des réseaux en système unitaire et en séparatif [s ource : Communauté de communes du Val de l'Aisne] 5

Système pseudo- séparatif

Le système pseudo-séparatif est constitué, selon les zones d'habitation, en partie système unitaire et en partie système séparatif. Ce système consiste à réaliser un réseau séparatif particulier dans lequel il est admis que le réseau d'évacuation des eaux usées reçoit une fraction d'eau pluviale des toitures et des cours intérieurs et le réseau d'évacuation d'eau pluviale sera réservé uniquement à la collecte des eaux de ruissellement sur les chaussées et du bassin versant.

Systèmes spéciaux

Un système d'assainissement spécial est généralement un système qui se diffère du système classique par un écoulement en charge des eaux usées, il en existent deux

1. Système sous pression sur la totalité du parcours : Le réseau fonctionne

en charge de façon permanente sur la totalité du parcours.

2. Système sous dépression : Le transport de l'effluent s'effectue par mise

des canalisations en dépression. I.5 Les critères de choix d'un système d'assainissement Aucun critère ne permet, à lui seul, de choisir un système d'assainissement ; différents critères d'ordre environnemental, économique, technique et financier doivent être examinés ; Un ensemble équilibré de critères combinant quatre dimensions fondamentales doit

être pris en compte

6

1.5.1 Le respect des contraintes physiques et environnementales

Le choix d'une solution technique d'assainissement doit d'abord, bien entendu, intégrer au mieux les contraintes physiques et respecter l'environnement : qualité des sols, réseau hydrographique, nappe phréatique, altitude, topographie, pluviométrie, température, vent...

1.5.2 L'adaptation aux besoins de l'économie et du cadre de vie

Les activités humaines, génératrices de pollution, peuvent être permanentes ou saisonnières, domestiques ou industrielles, concentrées en une zone agglomérée ou éclatées en plusieurs secteurs géographiques. L'examen de ce critère doit être réalisé en prenant en compte tant la situation actuelle que son évolution prévisible

1.5.3 La cohérence par rapport aux règles de l'art et aux ressources humaines

disponibles La cohérence des solutions proposées au regard de la réglementation technique et des pratiques habituellement admises ("règles de l'art"). La solution cohérente retenue sur la base de cette appréciation doit permettre le meilleur fonctionnement possible des installations. Toutefois, cette cohérence ne saurait s'apprécier indépendamment de l'environnement humain dans lequel les installations auront à fonctionner.

1.5.4 L'optimisation des coûts

Le critère financier doit bien entendu être pris en compte. Il permet d'analyser l'impact des différentes solutions en termes de coût d'investissement mais aussi de fonctionnement. 7 I.6 Facteurs influents sur la conception d'un projet d'assainissement:

1.6.1 Données naturelles:

pluviométrie

Topographie

Hydrographie

Géologie

1.6.2 Caractéristiques de l'agglomération:

Importance et nature

Mode d'occupation du sol

Réseau existant

Développement futur de l'agglomération

1.6.3 Contraintes liées à l'assainissement:

Conditions de transports des eaux usées

Facilités d'exploitation

Réduction des nuisances

8

I.7 SCHEMAS TYPES DES RESEAUX D'EVACUATION

Bien que les réseaux d'évacuation revêtent des dispositions très diverses selon le système choisi, leur schéma se rapproche le plus souvent de l'un des cinq types décrits ci après :

1) le schéma perpendiculaire au cours d'eau

On le trouve souvent dans les

villes ou les communes rurales qui ne se préoccupent que de l'évacuation par les voies les plus économiques et les plus rapides sans avoir un souci d'un assainissement efficace des eaux rejetées.

Figure N°02

: Schéma type perpendiculaire

Milieu récepteur

9

2) le schéma type " collecteur latéral »

Ce schéma oblige parfois à prévoir des stations de relèvement.

Figure N°02

: Schéma type latéral

3) le schéma type " collecteur transversal »

Ce schéma permet de reporter par simple gravité l'ensemble des effluents plus loin à l'aval par rapport au schéma précédent.

Figure N°03

: Schéma type collecteur transversal

Milieu récepteur

Milieu récepteur

10

4) le schéma type " par zones étagées »

Ce schéma s'apparente au schéma précédent. Le collecteur bas qui doit souvent faire l'objet de relèvement, se trouve soulagé des apports des bassins dominants qui peuvent être évacués gravitairement.

Figure N°04

: Schéma type Zones Etagées

5) le schéma type " centre collecteur unique » et le schéma type radial

Selon que le réseau converge vers un ou plusieurs points bas où l'on peut reprendre l'effluent pour le relever, on utilise ce type de schéma.

Milieu récepteur

Collecteur d'interception

Collecteur bas

Figure N°05 : Schéma type centre collecteur unique 11

I.8 Choix d'un schéma d'assainissement

Le choix d'un schéma d'assainissement se repose généralement sur les critères suivants:

1. Proximité d'un exutoire naturel

2. Sensibilité du milieu récepteur

3. Existence d'un réseau ancien

4. Pente du terrain

I.8.1 L'enquête préalable

L'enquête préalable est concrétisée en pratique par la phase de reconnaissances avec des visites des lieux et la collecte des données, elle a pour objet de fournir les informations suivantes :

1. informations relatives à l'urbanisation

prévision de l'évolution de l'urbanisation, existence des projets d'urbanisations futures devant transiter à travers la zone étudiée, répartition des zones en fonctions des exutoires et de leur capacité d'évacuation, aménagements particuliers à la charge des propriétaires pour leur raccordement. 2. informations sur les équipements existants Caractéristiques du réseau existant : sa nature (unitaire ou séparatif), les conditions de rejets dans ce réseau (faisant l'objet d'une autorisation), les débits admissibles au droit du rejet de l'opération, la cote de mise en charge du réseau pour connaître les répercussions éventuelles, la profondeur du collecteur, les raccordements futurs provenant d'autres opérations. 12

3. informations sur le milieu naturel

La création d'un réseau collectif nous oblige à rechercher l'existence d'exutoires naturels ainsi que la charge de pollution qu'ils peuvent admettre. Pour cela, il convient de contacter l'agence nationale des ressources hydrauliques ainsi que l'agence du bassin hydrographique (ABH) afin de connaître les caractéristiques du réseau hydrographique, les activités qui y sont attachées ainsi que les objectifs de qualité fixés. Il importera également de connaître la vulnérabilité des nappes souterraines.

I.8.2 ETUDES PREALABLES

Une étude préalable s'avère nécessaire pour répondre aux questions suivantes :

1. quel est le devenir des eaux de ruissellement pluviales recueillies ?

2. comment limiter tout risque de dommage par inondations ?

3. est-il possible de choisir une solution alternative mieux adaptée, plus

économique que la mise en place de canalisations ?

L'étude portera sur :

- la connaissance du terrain et des pratiques du voisinage, - la connaissance du fonctionnement hydrologique du bassin (pluviométrie, localisation des écoulements des débits attendus, topographie, taux - d'imperméabilisation), - l'existence et la capacité de l'exutoire (débit maximum de rejet), - la recherche des zones où il est possible d'infiltrer ou de prévoir des équipements de rétention (perméabilité des sols et sous-sols, propriétés mécaniques du sol sous l'influence de l'eau, fluctuation de la nappe, risque de pollution de la nappe), - - la qualité des eaux de ruissellement (si rejet dans un milieu naturel de bonne qualité). 13

II. Notion d'Hydrologie: Précipitations

II.1 Introduction

Les précipitations sont des processus hydrologiques les plus variables. D'une part, elles sont caractérisées par une grande variabilité dans l'espace et ceci quelle que soit l'échelle spatiale prise en compte (régionale, locale, etc.). D'autre part, elles sont caractérisées par une grande variabilité dans le temps, aussi bien à l'échelle annuelle qu'à celle d'un événement pluvieux. Les précipitations sont exprimées généralement en hauteur ou lame d'eau précipitée par unité de surface horizontale (mm) On définit aussi son intensité (mm/h) comme la hauteur d'eau précipitée par unité de temps. Les précipitations sont mesurées par les deux appareils de mesures fondamentaux que sont : Le pluviomètre : instrument de base de la mesure des précipitations liquides ou solides. Il indique la quantité d'eau totale précipitée et recueillie à l'intérieur d'une surface calibrée dans un intervalle de temps séparant deux relevés. Le pluviographe : instrument captant la précipitation de la même manière que le pluvi omètre mais avec un dispositif permettant de connaître, outre la hauteur d'eau totale, leur répartition dans le temps, autrement dit les intensités. Les mesures ponctuelles acquises au niveau des pluviomètres ou des pluviographes sont analysées et soumises à différents traitements statistiques. 14

Figure N°06

: schéma du Pluviomètre et du pluviographe à siphon

II.2 Notion d'averses et d'intensités

On désigne en général par "averse" un ensemble de pluies associé à une perturbation météorologique bien définie. La durée d'une averse peut donc varier de quelques minutes à une centaine d'heures et intéresser une superficie allant de quelques kilomètres carrés (orages) à quelques milliers (pluies cycloniques). On définit finalement une averse comme un épisode pluvieux continu, pouvant avoir plusieurs pointes d'intensité. L'intensité moyenne d'une averse s'exprime par le rapport entre la hauteur de pluie observée et la durée t de l'averse :

Pluviomètre

15 i m : intensité moyenne de la pluie [mm/h, mm/min] ou ramenée à la surface [l/s.ha], h : hauteur de pluie de l'averse [mm], t : durée de l'averse [h ou min]. L'intensité des précipitations varie à chaque instant au cours d'une même averse suivant les caractéristiques météorologiques de celle -ci. Plutôt que de considérer l'averse entière et son intensité moyenne, on peut s'intéresser aux intensités observées sur des intervalles de temps au cours desquels on aura enregistré la plus grande hauteur de pluie: intensité maximale. Deux types de courbes déduites des enregistrements d'un pluviographe (pluviogramme) permettent d'analyser les averses d'une station : La courbe des hauteurs de pluie cumulée, le hyétogramme. La courbe des hauteurs de pluie cumulées représente en ordonnée, pour chaque instant t, l'intégrale de la hauteur de pluie tombée depuis le début de l'averse. 16 Figure N° 07 : Exemple de Courbe des pluies cumulées et hyétogramme II.3 Statistique descriptive des séries chronologiques L'ensemble des données d'une station de mesures pluviométriques constitue une information considérable.

On applique a

insi les lois et d'autres techniques de la statistique aux relevés pluviométriques pour en tirer des informations utiles aux études et travaux envisagés. 17

On détermine de la sorte :

1. Valeurs moyennes, tendances centrales ou dominantes (moyenne, médiane,

mode,...),

2. Dispersion ou fluctuation autour de la valeur centrale (écart-type, variance,

quantiles, moments centrés),

3. Caractéristiques de forme (coefficients de Yulle, Fisher, Pearson, Kelley),

4. Lois de distribution statistiques (loi normale, log-normale, Pearson...).

L'ensemble de ces valeurs ponctuelles, condensées sous forme statistique, est utilisé pour déterminer la fréquence et les caractéristiques d'un événement pluvieux isolé ou encore pour étudier la variabilité de la pluviométrie dans l'espace.

II.3 Notion de période de retour

Définition 1:

PERIODE DE RETOUR = durée théorique moyenne, exprimée en année, qui sépare deux occurrences d'un phénomène donné, si l'on considère une période de temps suffisamment longue.

Par exemple

Une crue

qui correspond à une PERIODE DE RETOUR T=100 (centennale : Q100) est une crue théorique calculée à partir de l'analyse des crues passées et qui a une (0 1) chance sur 100 de se produire chaque année. On peut aussi dire que la crue centennale se produit en moyenne dix fois par millénaire. 18

Remarque :

Les projets d'aménagements hydrauliques ou hydrologiques sont souvent définis par rapport à une averse type associée aux fréquences probables d'apparition. Lorsque l'on étudie des grandeurs comme les précipitations (caractéri sées à la fois par leur hauteur et leur durée) ou les débits de crue d'un point de vue statistique, on cherche donc et, en règle générale, à déterminer par exemple la probabilité pour qu'une intensité i ne soit pas atteinte ou dépassée.

Cette probabilité e

st donnée, si i représente une variable aléatoire, par la relation suivante On nomme cette probabilité fréquence de non-dépassement ou probabilité de non- dépassement. Son complément à l'unité 1െܨ est appelé probabilité de dépassement, fréquence de dépassement ou encore fréquence d'appa rition.

On définit alors le

temps de retour T d'un événement comme étant l'inverse de la fréquence d'apparition de l'événement. Soit :

1െܨ

Ainsi, l'intensité d'une pluie de temps de retour T est l'intensité qui sera dépassé en moyen toutes les T années.

Définition 2 :

PERIODE DE RETOUR = Pour les événements rares, la période de retour est l'inverse de la probabilité d'occurrence de l'événement considéré au cours d'une année quelconque. Approximativement on constate que le débit de pointe Qp varie comme LogT

Ainsi : Qp (T=100) = 2 Qp (T = 10)

19

Débit centennal Débit décennal

Si la période de retour choisie augmente, le débit de pointe croit, le diamètre du collecteur est plus grand, les dépenses d'investissement s'accroissent, mais le risque d'inondation diminue. Il y a donc un une période de retour optimale à trouver. En assainissement urbain, les projets sont en général déterminés pour la période décennale T = 10 ans en précisant la nature des débordements prévisibles pour la période centennale T = 100 ans. Dans certains cas, il peut apparaître judicieux de proposer une variation de la période de retour de l'amont vers l'aval (2 à 5 ans dans la partie amont du réseau, 10 ans dans les zones d'urbanisation plus denses en aval et 25 ans pour la voirie et plus sur les secteurs économiquement importants). Le calcul est alors effectué par application au débit décennal d'un coefficient multiplicateur Tableau N°03 et N°04

Tableau N°03

Coefficient multiplicateur pour des périodes inferieures à un an

Période de retour

Coefficient multiplicateur

1 mois 0,12

2 mois 0.20

3 mois 0.24

4 mois 0.28

6 mois 0.34

9 mois 0.40

Tableau N°04

Coefficient multiplicateur pour des périodes supérieures à 10 ans

Période de retour

Coefficient multiplicateur

20 ans 1.25

50 ans 1.60

100 ans 2.00

20 Une pluie peut être caractérisée par plusieurs paramètres qui peuvent avoir, au sein de la même pluie, des temps de retour très différents. Citons notamment :

La hauteur totale de pluie,

la durée, l'intensité moyenne, les intensités maximales sur des intervalles de temps quelconques, la distribution d'intensité instantanée i(t). II.4 Les courbes IDF (intensité-durée-fréquence) L'analyse des pluies a permis de définir deux lois générales de pluviosité qui peuvent s'exprimer de la manière suivante : Pour une même fréquence d'apparition - donc un même temps de retour - l'intensité d'une pluie est d'autant plus forte que sa durée est courte. Ou encore, en corollaire, à durée de pluie égale, une précipitation sera d'autant plus intense que sa fréquence d'apparition sera petite (donc que son temps de retour sera grand).

Ces lois permettant d'établir les relations entre les intensités, la durée et la fréquence

d'apparition des pluies peuvent être représentées selon des courbes

caractéristiques : on parle généralement de courbes Intensité-Durée-Fréquence (IDF).

La notion de fréquence est en fait exprimée par la notion de temps de retour. Les courbes IDF permettent d'une part de synthétiser l'information pluviométrique au droit d'une station donnée et, d'autre part de calculer succinctement des débits de 21
projet et d'estimer des débits de crue ainsi que de déterminer des pluies de projet utilisées en modélisation hydrologique.

Figure N°08

: Représentation schématique des courbes I.D.F

II.4.1 Construction de courbes IDF

Les courbes IDF sont établies sur la base de l'analyse d'averses enregistrées à une station au cours d'une longue période. Les courbes obtenues peuvent donc être construites de manière analytique ou statistique.

1. Représentation analytique

Différentes formules sont proposées pour représenter l'intensité critique d'une pluie en fonction de sa durée.quotesdbs_dbs1.pdfusesText_1

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