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Amélioration de la résilience et de l'adaptabilité des systèmes de transport des eaux usées par

(Résumé) Le recours au génie hydraulique est de plus en plus nécessaire, considérant l'intensité et la fréquence des précipitations, pour conférer aux systèmes de transport des eaux usées la capacité de répondre adéquatement aux changements imprévisibles.

 

Par Asantha Fonseka, WSP, Briar Cliff Manor, NY, US, +1-914-449-9035, asantha.fonseka@wspgroup.com; et Jean-Luc Daviau, WSP, Markham, ON, Canada, 647-960-8282, jean.luc.daviau@wspgroup.com

La résilience d'un système, qu'il soit naturel ou fabriqué, est décrite comme sa capacité inhérente (ou intégrée) à s'adapter à des variations brusques et souvent considérables des paramètres d'exploitation, puis de retourner à un niveau normal de fonctionnement, sans subir de dommages ni de changements permanents. L'adaptabilité renvoie plutôt à la capacité du système de s'adapter graduellement aux changements dans des conditions considérées normales. Le recours au génie hydraulique s'avère de plus en plus nécessaire pour conférer aux systèmes de transport des eaux usées la capacité de répondre adéquatement aux conditions prévues comme aux événements imprévisibles.

 

La question en bref

Du point de vue de l'adaptabilité et de la résilience, les vieux systèmes de transport des eaux usées, autant que les nouveaux, sont confrontés aux mêmes enjeux :

Augmentation des eaux claires parasites (intrusion et infiltration)

Les réseaux de collecte gravitaire des eaux usées qui alimentent les stations de relèvement[1] se détériorent avec l'âge, ce qui cause l'intrusion d'eau souterraine dans les conduites, ainsi que de l'infiltration d'eau de pluie le long des conduites et des raccords, à l'endroit des trous d'homme et dans les bâches d'aspiration (puits de pompage).

Augmentation de la charge pluviale de conception

Bien que les systèmes de transport d'eaux usées soient conçus pour prendre en charge une certaine quantité d'eaux parasites, cette valeur varie considérablement lorsque l'intensité des précipitations augmente, un facteur aggravé par les changements climatiques. Par exemple, la pluie centennale utilisée dans la conception d'un réseau d'égout en 1970 se produit de nos jours à beaucoup plus grande fréquence. En outre, la valeur de pluie centennale que nous utilisons aujourd'hui peut entraîner un bien plus grand débit de pointe qu'en 1970.

Hausse du taux de variation du débit

Le taux de variation du débit est un terme d'hydraulique désignant les variations que doivent pouvoir accommoder les pompes. Il est défini par le rapport entre le débit de temps de pluie et le débit de temps sec (ou débit de base). Le choix des pompes et leur bon fonctionnement dans des conditions de débit très variable constituent un défi considérable, encore plus en présence d'une hausse du volume des eaux claires parasites et de la fréquence des pluies maximales. Cela requiert souvent une gamme de pompes de diverses capacités, à entraînement à vitesse variable, ou même des pompes supplémentaires, réservées aux événements pluviaux, ce qui génère des coûts additionnels pour l'espace souterrain, la machinerie et les systèmes électriques.

Pannes d'électricité de plus en plus fréquentes

Les pannes d'électricité sont causées par des défaillances des systèmes électriques, que ce soit à l'échelle du réseau de distribution, de la localité ou de l'installation. La probabilité de pannes électriques, d'arrêt des pompes et de surpressions transitoires (coups de bélier) augmente à mesure que s'accroît la fréquence des phénomènes météorologiques extrêmes.

Intensification des zones urbaines

L'intensification urbaine augmente de façon notable la charge des systèmes de transport d'eaux usées. Les études de développement en terrains intercalaires et les processus d'allocation des capacités prennent généralement en considération la hausse du débit de temps sec, mais pas le potentiel d'augmentation des eaux claires parasites.

 

Études de cas

Réseau de conduites de refoulement de Halls Mill, Mobile, Alabama

Le système de transport d'eaux usées de Halls Mill se compose de cinq stations de relèvement dont le débit de conception varie entre 1 000 gallons par minute (gpm), pour la plus petite station, et 6 000 gpm pour la plus grande. Des conduites de refoulement individuelles[2], allant de 12 pouces à 36 pouces de diamètre, relient ces cinq stations de relèvement à une grande conduite d'évacuation commune, de 48 pouces de diamètre et de plus de 9 milles de long.  Cette grande conduite de refoulement se déverse dans l'usine de traitement des eaux usées de William par l'intermédiaire d'un trop-plein vertical.

Voici quels étaient les principaux problèmes du système :

  • Des coupures d'électricité fréquentes à chacune des stations de relèvement causaient d'importantes surpressions dans les conduites forcées, entraînant le déplacement de raccords, l'affaissement du flotteur des purgeurs d'air, ainsi que des bris de conduite;
  • Le manque de coordination de l'arrêt et du démarrage des pompes entre les différentes stations de relèvement provoquait de rapides changements dans les débits et les pressions d'eau;
  • Des problèmes de capacité au moment d'épisodes de fortes pluies risquaient de causer une surcharge des égouts en amont et l'inondation de la station de relèvement et de son environnement immédiat. Un réservoir de stockage hors réseau (géré par un tiers) est utilisé par temps de pluie pour accueillir de larges volumes d'eaux usées, qui sont dirigées vers la bâche d'aspiration après l'averse.

WSP (faisant maintenant partie de WSP | Parsons Brinckerhoff) a travaillé en collaboration avec le propriétaire et d'autres consultants pour déterminer les causes des surpressions et concevoir un système de réservoirs d'équilibrage fermés (par exemple des récipients sous pression ou réservoirs tampons) afin d'amortir les variations brusques de pression résultant des arrêts et démarrages normaux ou accidentels des pompes. Cela confère au système la capacité de résister à toute combinaison de conditions d'exploitation, le rendant ainsi encore plus résilient. On limite également de cette façon toutes les surpressions transitoires et, en conséquence, la fatigue dans le système et la fréquence des bris de barres d'armatures dans la conduite maîtresse principale en béton armé. Ces mesures, conjuguées à une meilleure gestion de l'air, pour maintenir la capacité du système, ainsi qu'aux réservoirs hors réseau, existants et proposés, ont quant à elles permis de maximiser l'adaptabilité du système.

Conduite forcée anonyme, district X d'un réseau d'égout en périphérie de Charlotte, Caroline du Nord

Ce système de transport d'eaux usées se compose de quatre stations de relèvement dont le débit de conception varie entre 140 gallons par minute (gpm) pour la plus petite station, et 875 gpm pour la plus grande. Des conduites de refoulement individuelles, allant de 4 pouces à 8 pouces de diamètre, relient ces quatre stations de relèvement à une conduite d'évacuation commune, mesurant 12 pouces de diamètre et plus de 9 milles de long.

Voici les principaux problèmes du système, dont certains subissent l'influence des changements climatiques :

  • La nécessité de renverser la direction de l'écoulement, en raison de la construction d'une nouvelle usine de traitement d'eaux usées à l'extrémité opposée (sud) du système. En ce moment, le réseau achemine les eaux usées vers une usine située au nord. La construction d'une nouvelle usine illustre bien les effets de la croissance du réseau dans son ensemble et les contraintes liées à sa capacité, conditions auxquelles on demande souvent aux concepteurs de se conformer;
  • L'inondation de la plus grosse station de relèvement et des environs immédiats, considérant également la forte multiplication anticipée du ratio du débit de temps de pluie sur le débit de temps sec pour les années à venir, requérait en conséquence le choix d'une pompe spécialisée et une conception attentive de la station;
  • En raison des limites budgétaires, il fallait classer par priorité les diverses étapes de construction et les répartir dans le temps, particulièrement en ciblant les stratégies les plus efficaces et en réutilisant, dans la mesure du possible, les éléments existants du système. La possibilité de réutiliser les pompes a nécessité une soigneuse évaluation de l'efficacité par rapport au coût de l'achat d'équipement neuf, afin de justifier la décision de leur déplacement (pour pomper en direction inverse).

La modélisation hydraulique a révélé quelques difficultés supplémentaires à cet endroit :

  • Le pompage en sens inverse avait pour effet que les eaux usées devaient être refoulées en pente descendante dans d'importantes portions de la conduite de refoulement. Il a donc fallu réaliser une analyse détaillée des régimes transitoires afin de déterminer les zones sujettes à une rupture de la colonne liquide et à la formation de poches d'air, ainsi que les éventuelles positions et spécifications des purgeurs d'air;
  • La nécessité d'accommoder un taux élevé de variation du débit à la station 5 engendre de fortes charges hydrauliques dans le réseau lorsque la pompe pluviale est activée. Ces charges cibles ne peuvent être atteintes par les stations de relèvement de plus petite taille;
  • Le taux élevé de variation du débit à la station 5 rendait difficile le choix d'équipement de pompage efficace pour un large éventail de charges hydrauliques.

Voici les principales recommandations de conception émises par WSP | Parsons Brinckerhoff pour améliorer la résilience et l'adaptabilité du système à long terme :

  • Utiliser un système de pompe à étages composé de : deux pompes haute pression à débit moyen, en service actif; une pompe de réserve identique, pour le débit de pointe de temps sec; une pompe moyenne pression à débit élevé en service actif en temps de pluie; et une pompe de réserve identique.
  • Installer à la station de relèvement 5 des entraînements à fréquence variable (EFV), afin de maintenir la circulation, même à faible niveau (une mesure essentielle pour limiter les inondations).
  • Mettre en place un dispositif de régulation avec capteurs (commandé par un système de télésurveillance et d'acquisition de données SCADA) pour couper le fonctionnement des stations de relèvement de plus petite taille lorsque le niveau du liquide dans la bâche d'aspiration atteint un point de consigne donné. Ainsi la pompe pluviale de moyenne pression pourra rapidement vider la bâche d'aspiration de la station 5, réduisant considérablement le risque d'inondation à cet endroit.
  • Rediriger l'effluent des plus petites stations vers les bâches d'aspiration des plus grandes, afin de réduire les charges hydrauliques cibles;
  • Utiliser des mécanismes de démarrage et d'arrêt progressifs afin de limiter autant que possible l'usure résultant des sautes de pression. Pour la même raison, recalculer les dimensions des ventouses à trois fonctions, dans le but d'éviter un excès de ruptures de colonne liquide et les fortes hausses de pression qui peuvent en résulter, au moment de l'expulsion d'air (redémarrage de la pompe).
  • Placer un grand bassin de retenue en série avec la bâche d'aspiration à la station de relèvement 5, pour pallier le taux élevé de variation du débit durant les fortes pluies.
  • Installer un robinet-vanne à manchon (pour le maintien de la pression) commandé par SCADA au point de déversement dans la nouvelle usine de traitement des eaux usées, afin d'éviter que les segments en pente descendante de la conduite de refoulement ne se drainent lorsque les pompes sont arrêtées et que les charges du système sont faibles. Cette mesure réduira la corrosion due à la présence d'air au-dessus de zones stagnantes, lorsque le réseau arrête de fonctionner pendant un plus ou moins grand laps de temps.

 

Leçons tirées de l'expérience et conclusion

Il est possible, à l'aide d'une modélisation hydraulique informatique des régimes permanents et transitoires, de remettre à neuf un réseau à multiples stations de relèvement et conduites de refoulement sans avoir recours à un système complexe de régulation et d'interverrouillages par SCADA pour coordonner les démarrages de pompe; et cela tout en améliorant la résilience et l'adaptabilité du système.

Les taux élevés de variation de débit des eaux usées dans le réseau d'égout sont engendrés à la fois par le vieillissement des infrastructures et par les changements climatiques; des phénomènes qui sont là pour rester. Les concepteurs devraient conséquemment se préparer à utiliser des systèmes de pompes à étages (c.-à-d. une combinaison de pompes à faible et haut débit commandées par SCADA) pour que les systèmes puissent faire face de manière efficace à une vaste gamme de débits. L'utilisation d'un grand nombre (3-4) de pompes identiques se traduit souvent par un rendement décroissant en fonction du débit, pour chaque pompe supplémentaire activée, en raison de la pente élevée des courbes du système pour une conduite de refoulement rentable. Ainsi, « plus il y a de pompes, moins c'est efficace » pour des débits de pointe causés par des événements pluviaux. Voilà un aspect clé de la résilience et de l'adaptabilité d'un système de refoulement des eaux d'égout.

Il faut consolider les débits autant que possible. Les stations de relèvement de plus petite taille ont peine à remplir adéquatement leurs fonctions lorsqu'elles alimentent un système comportant de grosses stations fonctionnant en continu. L'écoulement par gravité ou le refoulement de station à station devrait être utilisé dans la mesure du possible pour transporter les eaux vers les plus bâches d'aspiration et les pompes de plus grande taille, qui traitent le débit total. Le raccordement direct à des collecteurs de refoulement communs peut poser des difficultés pour le choix des pompes et créer des contraintes de fonctionnement. L'emploi de réservoirs d'équilibrage de pression peut néanmoins atténuer l'impact des démarrages et arrêts imprévus ou non coordonnés des pompes (ou des pannes d'électricité).

La modélisation hydraulique s'avère un outil précieux pour réduire les coûts à long terme et on devrait y avoir recours le plus tôt possible dans le processus de conception. Une telle modélisation a pour effet de déterminer certaines caractéristiques mineures du système ayant le pouvoir de faire une grande différence sur le plan financier; par exemple dans le cas d'un robinet-vanne destiné à maintenir la pression ou d'un purgeur d'air de la bonne taille. Pour des projets complexes ou de grande envergure, il serait bon de considérer à la fois l'écoulement en 3D dans les puisards ainsi que les régimes transitoires et les surpressions en exploitation.

La remise à neuf et la modification de systèmes de transport d'eaux usées représentent une tâche ardue et coûteuse. Il serait donc avantageux de concevoir les nouveaux systèmes et les stations de relèvement en gardant la résilience en tête.


Asantha Fonseka est ingénieur en hydraulique chez WSP | Parsons Brinckerhoff dans la grande région de New York. Son expérience se situe dans les domaines du transport des eaux usées, de la distribution d'eau et des projets de gestion des eaux pluviales; des études de modélisation jusqu'à la préparation des documents d'appel d'offres et au soutien de construction. Parmi ses champs particuliers d'intérêt, on compte les conduites de refoulement d'eaux usées et les stations de relèvement, la résilience aux inondations, ainsi que l'entretien, la réhabilitation et l'adaptabilité des infrastructures vieillissantes.  

Jean-Luc Daviau dirige le Centre d'excellence en hydraulique chez WSP | Parsons Brinckerhoff et compte plus de 23 années d'expérience multidisciplinaire dans l'étude et le contrôle du débit et des surpressions (coups de bélier) dans les usines et les canalisations. Il est réviseur pour l'ASCE et fait partie du sous-comité de l'AWWA sur les surpressions.


[1] Les stations de relèvement contiennent les pompes, la robinetterie et les appareils électriques nécessaires pour remonter les eaux d'égout d'une élévation inférieure à une élévation supérieure, ce qui en fait une composante essentielle de nombreux systèmes d'égout municipaux.

[2] Une conduite forcée est une conduite principale dans laquelle l'eau est pompée, par opposition à une conduite où l'eau s'écoule par gravité.