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  1. 1. Haute École LÉONARD de VINCI ECAM A.S.B.L. Institut Supérieur Industriel Travail de fin d’études présenté par DE BOCK Damien En vue de l’obtention du diplôme de Master en Sciences de l’Ingénieur Industriel finalité Construction Année académique 2014-2015 Modélisation hydraulique d'une portion du réseau d'égouttage Bruxellois et évaluation de l'impact de la modification prévue dans le cadre de la construction de la station multimodale « Constitution »
  2. 2. REMERCIEMENTS Par le présent texte, je tiens à remercier l’ensemble des personnes qui ont contribué à la réalisation de ce travail de fin d’études, bien que ce texte ne représente que quelques mots de ce celui-ci, il n’en est pas moins important à me yeux. Monsieur Henriet, tuteur, qui m’a mis en contact avec VIVAQUA afin que je me lance dans cette étude, mais aussi pour sa disponibilité et sa réactivité lors d’échanges écrits. Monsieur Cailleau, promoteur, pour m’avoir laissé le temps de m’imprégner du domaine et pour les balises efficaces qu’il a posé sur ma route, ainsi que pour l’ensemble des réponses qu’il a pu formuler à mes différentes questions. Je remercie également ma sœur Séverine et mon ami Charles Poncin de m’avoir proposé de relire certains passages, leurs commentaires étant toujours avisés.
  3. 3. TABLE DES MATIÈRES Introduction ..................................................................................................................................................... 1 1. Préambule ................................................................................................................................................ 1 2. Métro Nord-Sud....................................................................................................................................... 1 Partie 1 : Étude bibliographique et cadre théorique.................................................................................... 3 1. Introduction.............................................................................................................................................. 4 2. Hydrographie et bassin versant de la Senne............................................................................................. 4 2.1. Senne................................................................................................................................................ 4 2.1.1. Historique................................................................................................................................ 4 2.1.2. Bassin versant........................................................................................................................ 8 2.2. Canal................................................................................................................................................ 9 2.2.1. Historique................................................................................................................................ 9 2.3. Autres cours d’eau .......................................................................................................................... 9 2.3.1. Versants Ucclois.................................................................................................................... 10 2.3.2. Versant Droit de la Senne...................................................................................................... 10 2.3.3. Versant Gauche de la Senne.................................................................................................. 10 2.3.4. Bassin du Molenbeek ............................................................................................................ 10 2.3.5. Bassin du Maelbeek .............................................................................................................. 11 2.3.6. Bassin de la Woluwe............................................................................................................. 12 3. Assainissement et hydraulique urbaine.................................................................................................. 13 3.1. Principes hydrauliques fondamentaux ........................................................................................... 13 3.1.1. Conservation de l’énergie - équation de Bernoulli................................................................ 13 3.1.2. Formule de Chézy ................................................................................................................. 14 3.1.3. Équations de Barré de Saint-Venant...................................................................................... 15 3.1.4. Écoulements à travers des ajutages ....................................................................................... 18 3.1.5. Écoulements en charge.......................................................................................................... 20 3.2. Caractérisation des réseaux............................................................................................................ 22 3.2.1. Types de réseaux................................................................................................................... 22 3.2.2. Systèmes d’écoulements ....................................................................................................... 23 3.2.3. Schémas ................................................................................................................................ 25 3.3. Ouvrages particuliers ..................................................................................................................... 25 3.3.1. Déversoirs d’orage ................................................................................................................ 25 3.3.2. Vannes ou orifices................................................................................................................. 26 3.3.3. Siphons.................................................................................................................................. 26 3.3.4. Bassins de stockage............................................................................................................... 27 3.4. Directive-cadre sur l’eau (DCE) .................................................................................................... 27 3.5. Réseau Bruxellois .......................................................................................................................... 28 3.5.1. Historique.............................................................................................................................. 28 3.5.2. Définition du réseau .............................................................................................................. 29 4. Prévention des inondations urbaines...................................................................................................... 29 4.1. Canalisation des cours d’eau.......................................................................................................... 29 4.2. Dimensionnement des conduites.................................................................................................... 29 4.3. Bassins d’orage.............................................................................................................................. 30 4.4. Utilisation des capacités de stockage du réseau............................................................................. 30 4.5. Mesures urbanistiques.................................................................................................................... 30 4.5.1. Occupation des sols............................................................................................................... 30 4.5.2. Autres mesures...................................................................................................................... 31 5. Modélisation hydraulique ...................................................................................................................... 32 5.1. Cartographie des réseaux ............................................................................................................... 32 5.1.1. Sous-bassins.......................................................................................................................... 32 5.1.2. Nœuds ................................................................................................................................... 32 5.1.3. Liens...................................................................................................................................... 32 5.2. Débits entrants ............................................................................................................................... 33 5.2.1. Débit de temps sec ................................................................................................................ 33 5.2.2. Pluie réelle............................................................................................................................. 33 5.2.3. Pluie uniforme....................................................................................................................... 33 5.2.4. Pluie renforcée ...................................................................................................................... 34 5.2.5. Conditions aux limites........................................................................................................... 35 5.3. Validation du réseau ...................................................................................................................... 35 5.4. Calibration du réseau ..................................................................................................................... 35 5.5. Algorithme de calculs .................................................................................................................... 36
  4. 4. Partie 2 : Étude pratique .............................................................................................................................. 37 1. Cadre...................................................................................................................................................... 38 1.1. But de l’étude................................................................................................................................. 38 1.2. Projet « Constitution » ................................................................................................................... 38 1.2.1. Travaux prévus...................................................................................................................... 38 1.2.2. Réseau en amont ................................................................................................................... 39 1.3. Logiciel Infoworks CS................................................................................................................... 41 2. Modélisation du réseau actuel................................................................................................................ 41 2.1. Importation des données de cartographie....................................................................................... 41 2.2. Définition des paramètres .............................................................................................................. 42 2.2.1. Sous-bassins.......................................................................................................................... 42 2.2.2. Nœuds ................................................................................................................................... 42 2.2.3. Liens...................................................................................................................................... 42 2.2.4. Conditions aux limites........................................................................................................... 42 2.3. Modélisation des ouvrages spécifiques.......................................................................................... 44 2.3.1. Déversoirs d’orage ................................................................................................................ 44 2.3.2. Bassin d’orage Morichar ....................................................................................................... 47 2.4. Validation du réseau ...................................................................................................................... 47 2.4.1. Validation par l’absurde........................................................................................................ 47 2.4.2. Validation par mesures in-situ............................................................................................... 48 2.5. Calibration ..................................................................................................................................... 48 3. Étude paramétrique d’influence sur les débits ....................................................................................... 49 3.1. Études globales aux exutoires........................................................................................................ 49 3.1.1. Variation de l’occupation du sol ........................................................................................... 50 3.1.2. Variation de la rugosité des liens .......................................................................................... 51 3.1.3. Variation de la pluie de projet............................................................................................... 52 3.2. Études locales sur un déversoir d’orage......................................................................................... 53 3.2.1. Variation de la section de l’ajutage au déversoir « Fontainas » ............................................ 53 3.2.2. Variation de la hauteur du seuil avec ajutage........................................................................ 54 3.2.3. Conclusions de l’étude locale................................................................................................ 54 4. Modélisation du réseau modifié............................................................................................................. 55 4.1. Adaptations à prévoir..................................................................................................................... 55 4.1.1. Libération de l’emprise de la station « Constitution »........................................................... 55 4.1.2. Adaptations Avenue Fonsny pour la trémie du tram............................................................. 55 4.1.3. Déplacement et adaptation des déversoirs « Spaghettis » ..................................................... 56 4.1.4. Égout Midi ............................................................................................................................ 56 4.2. Résultats......................................................................................................................................... 56 4.2.1. Nouvelles Sections................................................................................................................ 56 4.2.2. Nouveaux déversoirs............................................................................................................. 56 4.2.3. Comparaison entre les deux modèles .................................................................................... 57 5. Conclusions intermédiaires.................................................................................................................... 58 6. Étude des points litigieux par rapport à la DCE..................................................................................... 59 Conclusion...................................................................................................................................................... 60 Bibliographie.................................................................................................................................................. 61 Annexes .......................................................................................................................................................... 62
  5. 5. TABLE DES FIGURES Figure 1: illustration des lignes de train (en noir) et métro avec la nouvelle Bordet-Albert (en vert) ............. 1 Figure 2: emprise de la station "Constitution".................................................................................................. 2 Figure 3: Carte de Bruxelles, 1837. ................................................................................................................. 6 Maps of the Society for the Diffusion of Useful Knowledge. Vol. 1. London: Chapman and Hall, 186, Strand, 1844. Figure 4: Parcours urbain de la Senne en 1837 en surimpression sur le plan actuel de la Ville de Bruxelle.. 7 Image libre d'utilisation Figure 5: Schématisation du rôle de by-pass du canal ..................................................................................... 7 Figure 6: Voûtement de la Senne ...................................................................................................................... 8 Figure 7: Carte des bassins et versants de la Région Bruxelloise .................................................................. 10 Kevin DE BONDT, “Un avenir durable pour nos enfants les Bruxellois” in Bruxelles en Mouvements, “Voix d'eau”, périodique édité par IEB, n°247-248, avril-mai 2011, numéro spécial, p 28 Figure 8: Source du Maelbeek dans le petit étang de l'abbaye de la Cambre. ............................................... 11 Image libre d'utilisation Figure 9: Woluwe à hauteur du parc Malou (Woluwe-Saint-Lambert) .......................................................... 12 Image libre d'utilisation Figure 10: écoulement considéré dans le cadre de l'équation de Bernoulli.................................................... 13 Figure 11: équation de continuité - illustration des paramètres pour un temps t donné ................................ 16 Figure 12: Décharge d'un réservoir sous l'effet de la gravité......................................................................... 18 Figure 13: réduction de veine fluide ............................................................................................................... 19 Figure 14: illustration d'un écoulement laminaire et turbulent ...................................................................... 20 Figure 15: diagramme de Moody.................................................................................................................... 21 Figure 16: illustration d'un réseau séparatif................................................................................................... 23 sur http://www.cc-dufumelois.com/Mieux-comprendre-ce-qu-est-l.html, visité le 24/04/2015 Figure 17: illstration deu profil en long d'un réseau sous vide....................................................................... 24 sur http://www.uft.fr/Principe-de-fonctionnement.246.0.html , visité le 28/04/2015 Figure 18: illustration du principe de séparation des flux.............................................................................. 25 sur http://assainissement.comprendrechoisir.com/comprendre/eaux-pluviales-de-toiture-de- ruissellement , consulté le 28/04/2015 Figure 19: illustration d'un siphon.................................................................................................................. 26 sur http://www.kingcounty.gov/environment/wtd/Construction/Seattle/FremontSiphon.aspx, consulté le 30/04/2015 Figure 20: schématisation du réseau (en noir) en 1983 sur le bassin versant et emplacement des stations et collecteurs primaires à construire .................................................................................................................. 28 dans Eau(x), référence complère en bibliographie Figure 21: illustration d'une conduite à fort stockage .................................................................................... 30 Figure 22: répartition des flux en fonction de l’imperméabilité du sol........................................................... 31 Figure 23: modélisation classique d'un débit de temps sec sur une journée................................................... 33 dans BROERS, modélisation hydraulique des réseaux unitaires d'assainissement Figure 24: paramètre a et b pour un temps de retour de 10 ans..................................................................... 34 Figure 25: illustration d'une pluie renforcée de temps de retour de dix ans................................................... 34 Figure 26: projet de modification illustré ....................................................................................................... 38 Figure 27: Bassin versant étudié (entouré en rouge) et zone en rapport avec le débit injecté (en orange).... 39 Figure 28: schéma du tracé des principaux collecteur du réseau................................................................... 39
  6. 6. Figure 29: extrait d'un plan d'égouttage fait par la STIB après mise en service du métro à la gare du Midi 40 Figure 30: cartographie de VIVAQUA ........................................................................................................... 41 Figure 31: section et cotes au dégrillage de la Senne..................................................................................... 43 Figure 32: modélisation (gauche) et vue en plan, déversoir Fontainas.......................................................... 44 Figure 33: modélisation (gauche) et vue dans le sens de l'écoulement entrant (droite), Spaghetti 1 ............. 44 Figure 34: modélisation (gauche) ainsi que vue en plan et coupes (droite), Spaghetti 2 ............................... 45 Figure 35: modélisation (gauche) ainsi que vue en plan et coupes (droite), Spaghetti 3 ............................... 45 Figure 36: modélisation (gauche) et vue dans le sens de l'écoulement entrant (droite), Spaghetti 4 ............. 46 Figure 37: modélisation complète (gauche) et vue en plan de l'étage supérieur de la chambre IBGE .......... 46 Figure 38: modélisation du bassin d'orage Morichar..................................................................................... 47 Figure 39: lissage des cotes du collecteur LMD............................................................................................. 47 Figure 40: "trace amont" initial de la chambre IBGE.................................................................................... 47 Figure 41: exemple de relevé in situ ............................................................................................................... 48 Figure 42: pluies de projet. De gauche à droite: T0.142 (7/an), T2, T10 et T50 en mm/h ............................. 52 Figure 43: emprise de la station (en orange) et adaptations du réseau.......................................................... 55 Figure 44: passage de l'égout Midi à travers la trémie d'accès au parking tram........................................... 56 Figure 45: croquis des nouveaux déversoirs « Spaghettis » ........................................................................... 57 Figure 46: modèle Spaghetti 2-3-4.................................................................................................................. 57 Figure 47: modèle Spaghetti 1 ........................................................................................................................ 57 Figure 48: "Trace amont" à partir de la Senne avec les conduites directement branchée au pertuis de la Senne en rouge ................................................................................................................................................ 59 Figure 49: Bassin Versant de la Senne (Source: Coordination Senne)........................................................... 62 sur http://www.coordinationsenne.be/fr, consulté le 15/11/2014. Figure 50: table des coefficients de Manning ................................................................................................. 63 sur http://sites.uclouvain.be/didacticiel-hydraulique/Lecons/Lecon_II_1/Tableau_n.htm, consulté le 15/05/2015
  7. 7. ABSTRACT Dans le cadre du projet de la création d'une ligne de métro Nord-Sud de la STIB, une série d'aménagement du réseau est nécessaire. Un de ceux-ci est la création d'une station multimodale sur le tracé actuel des lignes 3 et 4 de pré-métro, parallèle à Lemonnnier, afin de permettre des correspondances entre tram et métro. Malheureusement, ce lieu est un nœud important du réseau d'égouttage bruxellois, étant l'exutoire d'un bassin d'environ 3.5 km² et protégeant le centre de la ville de Bruxelles des inondations grâce à 4 déversoirs de crues situés en amont du boulevard Lemonnier (prolongement du boulevard Anspach vers la gare du midi). Le but de cette étude est de construire une modélisation avant et après transformation permettant d'évaluer l'impact de celles-ci et de dimensionner les nouveaux déversoirs en garantissant le bon fonctionnement du réseau. L’étude menée conclut à la possibilité de réalisation du projet. Malgré tout, certains points de détails restent à préciser. De plus, un des égouts se voit obligé d’être dévié vers une zone non- assainie de la ville. Obligeant le gestionnaire du réseau à mener des travaux d’adaptation dans les années à venir, afin de se mettre en conformité par rapport à la norme européenne.
  8. 8. 1 INTRODUCTION 1. Préambule Une modélisation hydraulique, à l’image par exemple d’une prévision météorologique, se base sur de nombreuses variables et inconnues. En effet, vue l’étendue importante des réseaux et ses nombreuses caractéristiques, modéliser un comportement exact relèverait de l’exploit. Malgré tout, l’évolution constante en matière de calcul numérique a permis d’offrir des perspectives importantes en la matière, voyant de nombreux logiciels très performants se développer. Aujourd’hui, le défi réside beaucoup plus dans la cartographie exacte du réseau plutôt que dans la difficulté à vérifier hydrauliquement celui-ci. En effet, une modélisation fine nécessite de connaitre avec précision la position et la géométrie de chaque composante du réseau, qu’il s’agisse d’un trou d’homme ou d’une simple conduite. 2. Métro Nord-Sud Le 9 septembre 2010, le plan Iris 2 a été approuvé par le Gouvernement de la Région de Bruxelles-Capitale. Son objectif est la réduction de 20% de la pression automobile en 2018 par rapport aux statistiques de 2001, mettant la priorité sur les transports publics et les moyens alternatifs, comme le vélo par exemple. Dans ce cadre là, une étude démographique d’analyse de densité de population a été menée, préconisant l’amélioration de l’offre de transports en commun par la prolongation de l’axe Nord-Sud, de la gare du Nord à celle d’Evere en passant par Schaerbeek et, vers le sud, jusqu’à la station d’Uccle-Calevoet. Figure 1: illustration des lignes de train (en noir) et métro avec la nouvelle Bordet-Albert (en vert)
  9. 9. 2 En réponse à cela, les autorités régionales ont donc validé le tracé d’une nouvelle ligne de métro, de la station Bordet à Evere jusqu’à la station Albert dans la commune de Forest (voir figure 1), Uccle refusant à l’époque l’implantation de celui-ci, ce qu’à regretté le bourgmestre, Armand de Decker, dans une interview donnée à la radio publique Vivacité en janvier 2013, estimant que sa commune avait manqué de vision, comme l’a rapporté le journal « l’avenir » (GOL, 2013) au même moment. Ce nouveau métro remplaçant entre autres les trams 3 et 4 dans le centre-ville. Bien que globalement facilitée par l’existence du tunnel de prémétro actuel, l’adaptation du tram en métropolitain pose problème pour la station Lemonnier, ses infrastructures étant incompatibles avec l’exploitation de celui-ci. Il a donc été décidé de construire une nouvelle station, parallèle à l’autre, qui permettrait de gérer l’intermodalité entre trams et métros sous la place de la Constitution (en rouge sur la figure ci-dessous). (Bruxelles espaces publics, 2014) Figure 2: emprise de la station "Constitution" Malgré tout, ce choix ne résolu pas l’ensemble des problèmes. En effet, dans le sous-sol à cet endroit se trouvent d’importants déversoirs de crues du réseau d’égouttage bruxellois, protégeant le centre-ville, tout juste en aval, d’inondations importantes. Ils envoient, pour ce faire et si nécessaire, un excédant de débit directement dans le pertuis de la Senne passant non loin de là, sous la Petite Ceinture. À ce stade, il devenait donc indispensable de mener une étude hydraulique approfondie afin de s’assurer d’un bon fonctionnement après déviation des conduites et déplacement des ouvrages existants.
  10. 10. 3 PARTIE 1 : ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE ET CADRE THÉORIQUE Dans cette première partie seront développées les notions théoriques utiles à la compréhension du travail à réaliser. En effet, agir sans comprendre le fond des choses peut engendrer de grave problèmes. Dans un premier temps, ce travail s’attardera sur l’hydrographie bruxelloise et l’historique de son bassin versant. Ensuite, seront parcourue des notions de base d’hydraulique urbaine, qu’il s’agisse des théories d’écoulement ou d’aspects plus technologiques. Dans la continuité seront évoquées des méthodes de prévention des inondations urbaine avant de terminer en évoquant la théorie des modélisations hydraulique.
  11. 11. 4 1. Introduction Bruxelles a, durant toute son histoire millénaire, vécu un rapport amour-haine avec les cours d’eaux qui la traversait, subissant nombre de crues d’une part mais, d’autre part, profitant d’un développement économique certain. En effet, on peut remarquer le caractère humide de la ville en analysant simplement l’étymologie de son nom, issu du moyen néerlandais d’époque Bruksele, formé à partir du germanique sali « habitation d'une seule pièce » et de broek « marais ». Malgré tout, Bruxelles n’aurait surement pas connu le développement économique qui fût le sien ensuite sans le commerce issu de ses voies hydrographiques : d’abord la Senne et le Canal de Willebroek ensuite, aujourd’hui appelé Canal de maritime de l’Escaut. En effet, ce dernier étant le prolongement du canal Bruxelles-Charleroi, il constituait un un passage obligé vers la Mer du Nord pour les nombreuses marchandises produites dans le Borinage, un des berceaux de la révolution industrielle au XIXe siècle. 2. Hydrographie et bassin versant de la Senne 2.1. Senne Bien qu’aujourd’hui complètement voutée et disparue du paysage bruxellois, la Senne est le cours d’eau qui a vu naître la ville. Un historique de sa gestion, accompagné d’une description de son bassin versant, sont proposés dans la suite de ce point. 2.1.1. Historique Structure intercommunale Au XIXe siècle, la Belgique, et plus particulièrement Bruxelles, fût un des premiers lieux à entrer dans l’ère industrielle. Dès 1840, dix ans à peine après l’indépendance du pays, la création de quartiers périphériques autour de la capitale allant de pair avec l’afflux d’ouvriers à la recherche de travail, amena bien vite les autorités à mener une réflexion sur l’évacuation des eaux usées. Malheureusement, les interactions peu développées entre les différentes communes et le manque de pouvoir centralisé au niveau des sous-bassins de la Senne, comme la Woluwe ou la Maelbeek, firent que les changements apportés n’eurent pas de résultats escomptés. Afin de répondre au besoin de création d’un organe commun qui gèrerait les risques liés aux crues et pollutions des différents cours d’eaux, devenus dangereux pour l’hygiène publique, la Province de Brabant intervint. (Société Intercommunale pour l'Assainissement, 1983) En application de la loi du 7 mai 1877 sur la police des cours d'eau non navigables ni flottables, celle- ci fait dresser dans chaque commune un « atlas des cours d’eau non navigables ». Ce même texte prévoit également des accords pour faciliter le lancement de travaux d’amélioration des cours d’eau par les communes ou les particuliers. Mais ce n’est pas tout, il est également mentionné dans ce texte qu’ « aucun moulin, usine, pont, écluse, barrage, batardeau et généralement aucun ouvrage permanent ou temporaire, de nature à influer sur le régime des eaux, ne peut être établi, supprimé ou modifié sans une autorisation préalable de la députation permanente ». Ce texte permit donc une gestion plus globale des cours d’eau, par un organe central. La Province créa donc une série de commissions techniques responsables des bassins hydrographiques de la contrée bruxelloise. Les
  12. 12. 5 quatre principales commissions géraient la Senne, la Woluwe, le Maelbeek et le Molenbeek ; un détail des projets réalisés sur ces différents bassins au cours du temps sera présenté au point 2.3. La Grande Guerre vint ensuite entraver l’avancée des projets jusqu’au vote de la loi du 1er mars 1922 relative à l'association des communes dans un but d'utilité publique, permettant la création de sociétés intercommunales. Il était en effet nécessaire de pouvoir créer des organes capables de gérer des domaines peu ou pas rentables, comme l’égouttage par exemple. Une entité fût alors créée pour chaque bassin versant, comprenant à la fois des représentants de la Province et des différentes communes traversées. Le travail mené jusqu’à nos jours permit de diminuer à grande échelle les problèmes sanitaires et environnementaux liés à la pollution d’une part et aux inondations d’autre part. Bruxelles-sur-Senne La vallée de la Senne s’étend de Naast, près de Soignies, à Zennegat, de côté de Mechelen sur un peu plus de cent kilomètres où elle se jette dans la Dyle. Bruxelles a été construite sur ce cours d’eau à environ mi-chemin et le celui-ci constitue la seule voie hydraulique naturelle permettant d’évacuer l’ensemble des eaux de la ville, malgré un débit capable relativement faible. La Senne a connu, durant toute son histoire, un grand nombre de crues provoquant de considérables dégâts matériels et humains, tels que les épidémies de peste et de choléra qui en résultaient. En outre, le faible débit d’étiage engendrait des odeurs pestilentielles en été. En effet, la déviation de la navigation par le canal en lieu et place de la Senne provoqua un envasement de celle-ci, dont la décomposition était en bonne partie responsable de ces dernières, sans compter le fait que le débit était souvent insuffisant en été pour évacuer l’ensemble des effluents de la population bruxelloise en plein essor à cette époque. Pour lutter contre ces problèmes, Charles de Brouckère et Jules Anspach, bourgmestres de Bruxelles successifs, lancèrent un grand projet de voûtement de la Senne qui, comme nous le montre la figure 3, traversait le centre-ville depuis Anderlecht jusqu’au quartier Nord. La rivière se divisait en deux bras à Anderlecht. Ceux-ci passaient par les anciens remparts respectivement à hauteur de la porte de Ninove, par la Petite Écluse et aux environs de l’emplacement actuel de la gare du midi, par la Grande Écluse. Les deux bras se rejoignaient ensuite à hauteur de la Grande Île ou Île Saint-Géry, emplacement actuel des Halles Saint-Géry. (DEMEY, 1990) Un autre volet du projet consistait à séparer les eaux de rivières et d’égouts en créant un collecteur de part et d’autre du pertuis de la Senne pour récolter les effluents afin de les traiter en aval dans le hameau de Buda. Bien que prévue en 1867, cette station d’épuration en aval de la ville ne fût pas réalisée avant 2008, soit près d’un siècle et demi plus tard, laissant la Senne recueillir l’ensemble des rejets bruxellois.
  13. 13. 6 Figure 3: Carte de Bruxelles, 1837. Outre le traitement des crues et l’hygiène publique, le projet est plus large. En effet, à cette époque, le bas de la ville est en grande partie insalubre et Anspach veut y aménager un quartier d’affaires. À cet effet, la création d’un grand boulevard dans le centre en lieu et place des petites ruelles parait très intéressante. L’architecte Léon Suys, qui propose un projet liant ces différents aspects, est retenu. Le bras gauche est condamné et le bras droit est voûté sous une série de boulevards. Le parcours de la Senne en 1937 surimprimé sur la carte actuelle de la capitale (figure 4) nous montre effectivement la correspondance entre celui-ci et les grands boulevards actuels. Le chantier débute en 1867 et ne durera que quatre ans. Les nombreuses maisons furent alors remplacées pas des demeures bourgeoises et des bâtiments prestigieux comme celui de la Bourse au même moment.
  14. 14. Figure 4: Parcours urbain de la Senne en 183 Malgré tout, certains facteurs firent que Bruxelles n’était pas tirée d’affaire. En effet, l’urbanisation intensive du bassin hydrographique, l’imperméabilisation de plus en plus poussée des voiries et l’amélioration des réseaux locaux d’éco plus en plus précaire en aval figure 7) en cas de crue et de toucher Bourse à Molenbeek. À la fin du XIX différentes communes qui géraient alors localement les risques et une nouvelle stratégie de protection de Bruxelles fût développée. On utilis de délester, en cas de crue, les volumes excédentaires. Le canal était tout désigné pour répondre à ce rôle. De 1930 à 1955, le voûtement f déviée et canalisée suivant le tracé du canal. Cela libéra de faciliter l’aménagement des pré intéressant de noter que la pa servant de bassin de stockage éventuel. Figure Parcours urbain de la Senne en 1837 en surimpression sur le plan actuel de la Ville de Bruxelles. Malgré tout, certains facteurs firent que Bruxelles n’était pas tirée d’affaire. En effet, l’urbanisation intensive du bassin hydrographique, l’imperméabilisation de plus en plus poussée voiries et l’amélioration des réseaux locaux d’écoulements des eaux rend et la Senne menaçait, en conséquence, d’envahir son lit majeur et de toucher les populations de Saint-Gilles jusque Bourse à Molenbeek. À la fin du XIXe siècle, la Province du Brabant prit alors la main aux différentes communes qui géraient alors localement les risques et une nouvelle stratégie de lles fût développée. On utilisa alors un deuxième axe hydraulique parallèle afin les volumes excédentaires. Le canal était tout désigné pour répondre à De 1930 à 1955, le voûtement fût alors prolongé jusqu’Anderlecht et la partie existante suivant le tracé du canal. Cela libéra ainsi l’ancien pertuis qui permit, en 1973, des pré-métros 3 et 4 sous la jonction Nord-Midi. artie basse des tunnels adaptés a conservée une fonction hydraulique, servant de bassin de stockage éventuel. (HIVER, 2013) Figure 5: Schématisation du rôle de by-pass du canal 7 7 en surimpression sur le plan actuel de la Ville de Malgré tout, certains facteurs firent que Bruxelles n’était pas tirée d’affaire. En effet, l’urbanisation intensive du bassin hydrographique, l’imperméabilisation de plus en plus poussée ulements des eaux rendirent la situation de d’envahir son lit majeur (voir jusque Vilvoorde et de la rovince du Brabant prit alors la main aux différentes communes qui géraient alors localement les risques et une nouvelle stratégie de a alors un deuxième axe hydraulique parallèle afin les volumes excédentaires. Le canal était tout désigné pour répondre à echt et la partie existante nsi l’ancien pertuis qui permit, en 1973, Midi. Il est d’ailleurs une fonction hydraulique,
  15. 15. 8 Ces travaux permirent d’étendre la protection contre les crues aux populations en dehors de la petite ceinture, qui étaient encore menacées à l’époque. En outre, une série de trois déversoirs de crues fut installée sur la Senne afin de réguler son débit. Les ouvrages de Lembeek (a figure 5), Aa (b) et celui de la porte de Ninove (c) pouvant respectivement dévier 66, 24 et 15 mètres cube par seconde dans le Canal. En aval de la ville, un siphon auto-amorçant fût construit pour restituer une partie de son débit à la Senne. Le rôle de by-pass du canal est schématisé en figure 5. Le fonctionnement a prouvé son efficacité puisque plus aucune inondation n’a atteint cette partie de Bruxelles depuis lors. Depuis ce jour jusqu’à aujourd’hui, la Senne est, comme nous le montre la figure 6, voutée sur environ 6,4 kilomètres depuis son dégrillage rue des vétérinaires à Anderlecht jusqu’au Boulevard Lambermont à Schaerbeek. La section comporte deux pertuis parallèles de 5,2 mètres de large et 3.25 mètres de haut chacun, pour un débit capable de soixante mètres cube par seconde. Figure 6: Voûtement de la Senne 2.1.2. Bassin versant (coordination Senne asbl) (HIVER, 2013) Comme le montre la figure 49 en annexe 1, la Senne prend sa source à Naast, dans la commune de Soignies, province du Hainaut. D’abord sinueuse et du côté de la rive gauche du Canal Bruxelles-Charleroi, rive droite ensuite à hauteur de Halle où elle passe en dessous de celui- ci par un siphon avant de continuer parallèlement et de façon assez rectiligne jusqu’à Eppegem, au Nord de Bruxelles. La Senne prend alors un virage au Nord-ouest sur une dizaine de kilomètre pour rejoindre la Dyle, son confluent, à Zennegat après environ une centaine de kilomètre de parcours. Cette rivière a donc la particularité de traverser les trois régions du pays, ce qui n’a pas toujours facilité sa gestion. Le bassin versant forme un triangle isocèle de 1164 kilomètres carrés dont la petite base ne fait qu’une vingtaine de kilomètre entre les communes de Soignies et Nivelles et dont la pointe est située à Zennegat. Cette surface est la douzième plus importante pour une rivière belge, montrant bien que la Senne la relative petite taille de ce cours d’eau. Ce bassin est formé de 21 sous-bassins dont les principaux sont ceux du Zuunbeek, de la Woluwe et du Maalbeek (à ne pas confondre avec le Maelbeek qui en est également un) qui se jettent respectivement dans la Senne à Sint-Pieters- Leeuw, Vilvorde et Grimbergen. Les eaux se déversent finalement dans la mer du Nord après être passées successivement par la Dyle sur deux kilomètres, le Rupel et l’Escaut.
  16. 16. 9 2.2. Canal Vite entravée par la faible capacité et les caprices de son cours d’eau naturel, il fut très rapidement décidé de creuser un axe secondaire pour faciliter et accélérer la navigation. Aujourd’hui privée de son cours d’eau historique par le voûtement de la Senne, la Région tente de donner cette fonction au canal, développant l’activité autour de celui-ci. 2.2.1. Historique (RIVE, 1835) Les premières traces historiques du port de Bruxelles datent du début du XIe siècle. À l’époque, la navigation et difficile et longue, pouvant parfois prendre plusieurs semaines, pour rejoindre l’Escaut par les voies hydrauliques naturelles depuis l’île Saint-Géry. De plus, elle était rendue presque impossible en période d’étiage ou de crue. Pour se dédouaner de ces inconvénients, mais aussi pour s’affranchir du péage imposé par la ville de Mechelen, il est décidé de creuser un canal de 28 kilomètres, large de trente mètres et disposant d’un tirant d’eau minimum de deux mètres, rejoignant le Rupel à hauteur de Willebroek, quelques kilomètres seulement en aval de Mechelen. Cette nouvelle voie navigable est inaugurée en 1561 après onze ans de travaux, permettait aux barques piétonnes tractées par des chevaux de réaliser la jonction en neuf heures à peine. La différence d’altitude de 14 mètres entre Bruxelles et l’embouchure du Canal est compensée par quatre écluses, réparties sur le parcours. Au début du XIXe siècle, poussé par le développement industriel de la région de Charleroi et de son industrie minière, il est décidé de créer une liaison entre la ville et Bruxelles permettant une connexion stratégique entre les mines et la Mer du Nord. La mise en service du canal Bruxelles-Charleroi est faite en 1832 reliant ainsi le bassin hydrographique de l’Escaut à celui de la Meuse, via la Sambre. La capacité du canal de Willebroek montre alors très vite ses limites, elle fût, en conséquence, augmentée à la fin de ce même siècle, à l’instar de celle du port de Bruxelles. En 1997, celui-ci est renommé canal maritime de Bruxelles à l’Escaut. La tracé actuel est visible en figure 49 de l’annexe 1 2.3. Autres cours d’eau (Société Intercommunale pour l'Assainissement, 1983) (DE BONDT, 2011) La figure 7 découpe la Région bruxelloise en différentes zones topo-hydrographiques. À chaque couleur est associé un cours d’eau, ou un petit ensemble, dans lequel tomberait en premier une goutte d’eau arrivant, montrant donc également les différentes lignes de crêtes. Comme on peut l’observer dans la figure 7, la plupart des eaux de Bruxelles ne se jettent pas directement dans la Senne. On peut, en effet, distinguer six sous bassins dont trois sont formés par des affluents relativement important : le Molenbeek, le Maelbeek et la Woluwe. Eux aussi ont dû, en leur temps être aménagés pour protéger d’autres parties de la ville. Cette figure, montre également l’ensemble des lits majeurs, et donc les zones théoriquement inondables de la capitale. On y observe aisément que la partie basse de la ville n’est pas la seule à devoir gérer les eaux pluviales et aussi l’intérêt d’une gestion intercommunale au vu des surfaces considérées.
  17. 17. Figure 7: Carte des bassins et versants de la Région Bruxelloise 2.3.1. Versants Ucclois Ce sous-bassin est formé de trois cours d’eau la rive droite du Linkebeek. À peu de chose près, ces cinq versants représentent le territoire de la commune d’Uccle. Doté de pentes assez marquées, la région bruxelloise. 2.3.2. Versant Droit de la Senne On peut y distinguer deux zones de c Forest à Schaerbeek, longe le lit naturel de la Senne et dispose de pentes assez raides. portion de celle-ci qui sera étudiée dans la partie pratique. la ville est formée par de plus faibles 2.3.3. Versant Gauche de la Senne On peut, ici aussi, diviser ce secteur en deux. Plus au sud se situe un versant disposant d’affluents prenant leur source en Flandre. Ces ruisseaux sont relativement rectilignes et perpendiculaire au lit majeur de la Senne. Les pentes y sont douces. La zone au nord de la ville, aux environs de Neder-Over-Heembeek, présente le plus gros petits ruisseaux la formant y sont plus petits. 2.3.4. Bassin du Molen Les deux versants formant ce sous le cours d’eau prend sa source à Dilbeek. Dès 1880, l’extension de la Ville de Bruxelles commença à poser des problèmes pour gérer l’évacuation par la voie nature bâtiments alentour. Les communes en aval du tracé, les plus touchées pa : Carte des bassins et versants de la Région Bruxelloise (DE BONDT, 2011) Versants Ucclois bassin est formé de trois cours d’eau : le Geleytsbeek, l’Ukkelbeek et le versant de . À peu de chose près, ces cinq versants représentent le territoire de la commune d’Uccle. Doté de pentes assez marquées, ceux-ci se déversent dans la Senne à l’entrée de roit de la Senne distinguer deux zones de caractéristiques différentes. La première partie, de Forest à Schaerbeek, longe le lit naturel de la Senne et dispose de pentes assez raides. ci qui sera étudiée dans la partie pratique. La deuxième, située ville est formée par de plus faibles vallons. Versant Gauche de la Senne On peut, ici aussi, diviser ce secteur en deux. Plus au sud se situe un versant disposant d’affluents prenant leur source en Flandre. Ces ruisseaux sont relativement rectilignes et lit majeur de la Senne. Les pentes y sont douces. La zone au nord de la ville, aux Heembeek, présente le plus gros dénivelé en Région Bruxelloise. Les petits ruisseaux la formant y sont plus petits. Bassin du Molenbeek Les deux versants formant ce sous-bassin de 2400 hectares ont une topographie le cours d’eau prend sa source à Dilbeek. l’extension de la Ville de Bruxelles commença à poser des problèmes pour gérer l’évacuation par la voie naturelle, les précipitations provoquant l’inondation des caves des bâtiments alentour. Les communes en aval du tracé, les plus touchées pat les problèmes, décidèrent 10 (DE BONDT, 2011) l’Ukkelbeek et le versant de . À peu de chose près, ces cinq versants représentent le territoire de la ci se déversent dans la Senne à l’entrée de aractéristiques différentes. La première partie, de Forest à Schaerbeek, longe le lit naturel de la Senne et dispose de pentes assez raides. C’est une située à l’extrême Nord de On peut, ici aussi, diviser ce secteur en deux. Plus au sud se situe un versant disposant d’affluents prenant leur source en Flandre. Ces ruisseaux sont relativement rectilignes et lit majeur de la Senne. Les pentes y sont douces. La zone au nord de la ville, aux en Région Bruxelloise. Les bassin de 2400 hectares ont une topographie moyenne, l’extension de la Ville de Bruxelles commença à poser des problèmes pour lle, les précipitations provoquant l’inondation des caves des les problèmes, décidèrent
  18. 18. 11 alors de la construction de trois collecteurs afin de canaliser l’affluent de la Senne. Ceux-ci se révélèrent très vite insuffisants et des études furent lancées dès 1929 afin d’améliorer l’écoulement. Le tronçon aval du voûtement fût alors refait pour présenter une section jusqu’à 4 x 3,2 mètres, augmentant sa capacité à 40 mètres cube par seconde en cas de crues, pour un tracé long de quinze kilomètres. Depuis lors, l’augmentation continue de l’imperméabilisation des sols, provoquant de facto une augmentation du ruissellement, est traitée par la création de bassins de retenues. 2.3.5. Bassin du Maelbeek Le bassin du Maelbeek est un peu plus étendu que celui du Molenbeek et coupe les deux entités du versant droit de la Senne, occupant ainsi une position centrale en Région bruxelloise. Il prend sa source au pied de l’Abbaye de la Cambre (figure 8) et rejoint la Senne en traversant les communes d’Ixelles, d’Etterbeek de Saint-Josse et finalement de Schaerbeek. Ce bassin a une structure torrentielle, c’est-à-dire qu’il présente des pentes relativement abruptes provoquant des crues brutales. Une autre particularité de celui-ci est qu’il est le seul à s’étendre exclusivement sur la Région de Bruxelles-Capitale. Figure 8: Source du Maelbeek dans le petit étang de l'abbaye de la Cambre. En 1830, il ne s’agissait que d’un tout petit ruisseau. Au même titre que les autres parties de la ville, l’urbanisation et l’augmentation des effluents imposèrent de prendre des mesures sur celui-ci, malgré le fait qu’une série d’étangs, répartis le long de son parcours, servait déjà de régulateur naturel en cas de montée du lit. En 1850, la construction du quartier Léopold et l’imperméabilisation d’une partie du bassin qui en résulta créa les premiers problèmes de crues en cas d’orages, à l’instar de ce qui s’était passé plus tôt pour la Senne. De plus, la petite taille du ruisseau en période d’étiage ne permettait pas de reprendre l’augmentation toujours plus importante des effluents, provoquant des odeurs pestilentielles. En 1872, il est donc décidé de résoudre le problème en mettant le cours d’eau dans un aqueduc. Malgré tout, l’urbanisation n’ayant de cesse à cette époque, les mesures prises furent vite insuffisantes et une nouvelle étude fût lancée en 1889 dont les conclusions préconisèrent le remplacement du système par une série de collecteurs, qui fût mise en service huit ans plus tard ; elle existe d’ailleurs encore aujourd’hui. Néanmoins, les résultats n’étaient pas encore satisfaisants pour la partie basse du bassin mais le développement continuel du réseau fût abordé par les deux Guerres Mondiales et la période de crise entre celles-ci.
  19. 19. 12 En 1954, la Société Intercommunale pour l’Assainissement de la Vallée du Maelbeek relance les aménagements, installant de nouveaux collecteurs entre Etterbeek et Schaerbeek. Non loin de là, Place Reine Élisabeth, est également construit un bassin de retenue d’une capacité de mille mètres cube servant à étaler les pics de crues dans le temps, en ralentissant l’eau arrivant des parties hautes. En 1983, c’est au tour de la partie amont, aux alentours de la Place Flagey, d’à nouveaux poser des problèmes. En effet, seul l’aqueduc de 1872 y était en place. Le collecteur fût alors prolongé jusqu’à la rue Gray et un autre bassin, de 33.000 mètres cube, installé à Flagey. Au jour d’aujourd’hui, le Maelbeek n’existe donc plus et a été remplacé par un ensemble de collecteurs reprenant à la fois la source du ruisseau et les effluents des nombreuses communes qu’il parcourt. Sept bassin d’orages sont également répartit sur son profil en long pour une capacité totale de près de 91.000 mètres cube. (VIVAQUA, 2015) 2.3.6. Bassin de la Woluwe Quand on regarde le tracé de la Woluwe sur la figure 7, on pourrait assimiler son bassin versant à un autre que celui de la Senne. Dans la réalité, il n’en est rien vu que les deux cours d’eau se rejoignent en aval de Bruxelles. Avec ses 10200 hectares, la Woluwe représente le plus grand bassin hydrographique de la Région Bruxelloise regroupant en majorité les territoires, au complet ou presque, des communes de Watermael-Boitsfort, d’Auderghem ainsi que Woluwe-Saint-Pierre et Saint-Lambert. Elle prend sa source dans la forêt de Soignes, rejoint ensuite les étangs de Boitsfort, avant d’arriver dans le centre d’Auderghem en longeant le Boulevard du Souverain. Finalement, elle traverse les communes de Woluwe en longeant le Boulevard de la Woluwe, en lui donnant par ailleurs son nom. Quittant la Région par la commune de Diegem, le cours d’eau rejoint alors son embouchure dans la Senne à hauteur de Machelen. Figure 9: Woluwe à hauteur du parc Malou (Woluwe-Saint-Lambert) À l’instar du Maelbeek, la rivière présente un débit très variable sur un cycle annuel, très faible en été et augmentant rapidement en cas de crue, provoquant des débordements dans son lit majeur ; relativement vaste comme on peut le voir sur la figure 7. Au début du XXe siècle, le cours d’eau représentant le seul exutoire pour l’ensemble des eaux, il fût alors décidé de créer un collecteur qui suivrait le fond de la vallée pour reprendre les ruissellements et les eaux usées tandis que les eaux « naturelles » continueraient à suivre la Woluwe. Malheureusement, la Première Guerre mondiale stoppa l’avancée du dossier. En 1925, la Société Intercommunale pour l’Assainissement de la Vallée de la Woluwe, qui venait d’être créée, lança la construction de 27 kilomètres de collecteurs : seize pour suivre le fond de la vallée et onze d’éléments secondaires. Depuis lors, l’augmentation des débits a été gérée par l’installation de bassins d’orage, comme celui de Roodebeek, capable de stocker jusqu’à 33.000 mètres cube en cas de pic de crue, tandis que la capacité totale des dix bassins d’orages répartis sur le tracé de la Woluwe est de 109.000 mètres cube, soit l’équivalent de la surface d’un terrain de football sur plus de vingt mètres de haut.
  20. 20. 13 3. Assainissement et hydraulique urbaine 3.1. Principes hydrauliques fondamentaux Afin de pouvoir réaliser une modélisation informatique, il est nécessaire de disposer d’un certains nombre d’équations permettant de définir les écoulements et les variations des paramètres de ceux-ci. Voici les principales théories utilisées dans le cadre des calculs hydrauliques et plus particulièrement dans celui des réseaux d’assainissement. 3.1.1. Conservation de l’énergie - équation de Bernoulli (CALLEWAERT, 2010) Figure 10: écoulement considéré dans le cadre de l'équation de Bernoulli En appliquant les théorèmes du travail et de l’énergie cinétique à un système subissant une transformation 1-2, on obtient l’équation de mécanique générale, valable pour un écoulement irrotationnel : + + − ∆ = 0 Avec : • + : Travaux extérieurs effectués sur le système par l’ambiance représentant le cas particulier du travail des forces à distance et valant : = − × ∆ = − × ∆ où P et M représentent respectivement le poids et la masse du système et z l’altitude. Pour un kilogramme de fluide, il vaut donc : = − × ∆ = − − , et représentant respectivement les travaux des forces appliquées par le système et celles de frottement entre fluide et paroi. • : Travail interne = − = − = représentant le travail des pressions internes valant l’intégrale de l’état 1 à l’état 2 de la fonction de pression p en fonction du volume massique υ. Représentant les travaux de frottement internes, négatifs du fait de leur sens toujours opposé au mouvement.
  21. 21. 14 • ∆ : Variation de l’énergie cinétique ∆ = − = ∆ ² = ∆ ² pour un kilogramme de fluide et où c représente la vitesse du système. En définissant = + et en appliquant à un conduit fixe (force motrice nulle), on obtient alors: + ! + ∆ "² 2 + ∆ = 0 Finalement, si on fait l’hypothèse d’un fluide incompressible, le volume massique v devient alors constant et avec le volume massique valant l’inverse de celui-ci, = 1/&, on trouve : ( !( ) * + ! + ! !( ! + ( − ) = 0 +,/- . * + ! + = ! * + ! ! + + ! +,/- . Il s’agit de l’équation de Bernoulli et le terme ( / * + / ! + ) est appelé charge. ! est donc, quant à lui, nommé perte de charge, représentant la différence entre l’état un et deux. Si on divise chaque membre de l’équation par l’accélération de la gravité g, les différents termes seront alors exprimés en mètres. W/g est alors noté J. 3.1.2. Formule de Chézy (ZECH, 1995) Trouvée en réalisant un équilibre des forces de frottement et de gravité sur un volume de fluide, la formule de Chézy permet de mettre en relation la vitesse moyenne d’un fluide en écoulement uniforme aux caractéristiques géométriques et de rugosité d’un problème défini : 0 = 12345 Avec : • V : vitesse moyenne sur la section (m/s) • I : pente de la conduite (m/m) • Rh : Rayon hydraulique de la conduite (m), fonction des caractéristiques géométriques de la conduite et de la hauteur d’eau dans celle-ci : 34 = 6 789 ::é Avec : o S : section droite de l’écoulement (m²) o Pmouillé : périmètre mouillé de la section, défini par le périmètre de la surface S en contact avec une paroi rugueuse. • C : coefficient de Chézy, servant à prendre en compte l’influence du frottement de l’écoulement sur les parois. Celui-ci a été l’objet de différentes études et diverses formulations ont été retenues, les plus courantes étant celles proposées par Bazin et Manning :
  22. 22. 15 1 <= >? = 87 1 + B 234 C =??>? = 1 ? 34 /D Avec : o m : coefficient de rugosité de Bazin (m1/2 ) o n : coefficient de rugosité de Manning (m-1/3 . s) Les coefficients de Manning sont une fonction de la rugosité de la paroi du tuyau, des tables présentent les valeurs de n à choisir en fonction de l’application (voir Annexe 2). Les deux formules peuvent être utilisées mais l’emploi de celles-ci est plus courant. 3.1.3. Équations de Barré de Saint-Venant Malheureusement, l’équation de Bernoulli ne permet que de considérer des écoulements permanents alors qu’une étude hydraulique se doit de tenir compte des variations graduelles des débits, qu’ils proviennent d’effluents ou de fortes précipitations, en tout point d’un réseau. Elles découlent du système de Navier-Stokes. Équations de Navier-Stokes (BRICTEUX, 2011) Ces équations de se basent sur l’expression locale du principe de conservation de la quantité de mouvement pour une particule élémentaire d’un fluide. Lorsque l’écoulement de celui- ci est de type newtonien visqueux (défini par une relation linéaire entre contrainte et déformation), en supposant une viscosité constante et un écoulement incompressible, on peut exprimer les relations sous la forme suivante : E F G F H& I JK JL + KM JK JNM O = − J JN + P J K JNMJNM + &Q JKM JNM = 0 R Avec : • ρ : masse volumique du fluide (kg/m³) • ui : vitesse de la particule élémentaire dans la direction i (m/s) • t : temps (s) • xi : variable spatiale ; peut-être x, y ou z si on exprime dans un repère cartésien. (m) • p : pression (Pa = N/m²) • μ : viscosité dynamique valant la viscosité cinématique multipliée par la masse volumique du fluide υ.ρ (kg/m.s) • Fi : Force agissant dans la direction considérée. (N) Ces équations sont développables selon des coordonnées cartésiennes en utilisant la convention d’Einstein pour les indices répétés. Le premier terme est l’équivalent de l’équation dynamique de Newton (F= m.a), appliquée à un fluide, tandis que le deuxième montre le caractère indéformable et continu de celui-ci.
  23. 23. 16 Équations de Saint-Venant (BERTRAND-KRAJEWSKI, 2006) Au XVIIIe siècle, Adhémar Barré de Saint-Venant, polytechnicien français, décide de se baser sur les équations de Navier-Stokes afin de caractériser les écoulements à surface libre. Pour cela, il réalise une intégration selon la hauteur, lui permettant de définir celle-ci ainsi que les vitesses moyennes d’écoulement sur le profil en long, en fonction du temps. La limite de ce procédé est qu’il n’est applicable que pour des régimes uniformes et graduellement variés. Cela ne posera pas trop de problèmes dans le cadre d’une étude relative à un réseau d’assainissement. En effet, les écoulements brusquement variés sont des problèmes locaux. De plus, si on considère que les pentes seront en général toujours faibles et constantes entre deux chambres et que les vannes sont relativement rares dans ceux-ci, nous pouvons considérer que les ressauts pourront être facilement localisés et des ouvrages locaux de renfort du réseau pourront être déduits à partir des géométries et variations de pentes, afin de prévenir d’éventuels érosions des conduites liées à la forte dissipation d’énergie dans ce type de changement brusque. Le système de Saint-Venant est composé de cinq équations qui sont explicitées ci-après : • Équation de continuité : Celle-ci se base sur le principe de la conservation de la masse, et donc de volume, vu que nous avons fait l’hypothèse d’un fluide indéformable, au sein d’un élément de longueur dx. Figure 11: équation de continuité - illustration des paramètres pour un temps t donné Il est intéressant de remarquer que le premier terme deviendra logiquement nul dans le cadre d’un écoulement permanent, montrant de façon triviale que la seule variation de débit sera engendrée par l’apport latéral q(t). Elle se présente comme ceci : J6(N, L) JL + JT(N, L) JN = U(L) Avec : o Q : débit moyen sur la section S (m³/s) o x : positionnement sur le profil en long (m) o t : temps (s) o q(t) : débit perpendiculaire complémentaire sur l’élément (m³/s)
  24. 24. 17 • Équation dynamique : L’équation dynamique est déduite du système de Navier-Stokes, en intégrant sur la verticale avant de simplifier en supprimant les termes de faible influence. En considérant un écoulement bidirectionnel curviligne, peu de variations de section sur de courtes distances, des pentes faibles (inférieures à 10%) et pas de bifurcation brutale, on peut arriver, comme le montre par exemple Christophe Ancey dans son cours d’hydraulique à surface libre (Ancey, 2015), à l’équation suivante : J0 JL + V J0 JN + Jℎ JN = (5 − ,) + (X − 1)U T 6 Avec : o h : hauteur d’eau (m) o J : perte de charge linéique (m/m’) o ε : coefficient de transfert de la quantité de mouvement du débit latéral q, variant de 0 s’il est perpendiculaire à l’écoulement à 1 si il est parallèle. À ce stade, on a donc cinq inconnues (x, t, Q, U et h), il est donc nécessaire de trouver trois équations supplémentaires pour pouvoir résoudre le système. • Formulation des pertes de charge J Différentes formules sont proposées : Chézy : , = 0² 14 34 Manning-Strickler : , = 0² 7Y34 Z/[ Avec : o Kms : Coefficient de Manning-Strickler ; inverse du coefficient de Manning n • Relation entre hauteur d’eau et section mouillé : 6 = (ℎ) Il est possible de caractériser le lien en S et h pour toute section droite, à l’aide d’intégrales pour les sections complexes. Cette relation est purement géométrique. • Expression du débit en fonction de la section mouillée et de la vitesse moyenne de fluide : T = 60 En résumé, on obtient donc le système suivant, de cinq équations et cinq inconnues :
  25. 25. 18 E FF G FF H J6(N, L) JL + JT(N, L) JN = U(L) ]^ ]_ + V ]^ ]` + ]4 ]` = (5 − ,) + (X − 1)U a b , = (0, 6, ℎ, … ) 6 = (ℎ) T = 60 R Il n’est malheureusement pas possible de trouver de solution analytique. Une proposition de résolution numérique sera développée au point 5.5. « Algorithme de calcul ». 3.1.4. Écoulements à travers des ajutages Un certain nombre d’ajutages, parfois des orifices, sont présents dans le réseau à étudier, il parait donc utile de développer la théorie d’écoulement à travers ceux-ci. La distinction entre les deux semble difficile à définir. En théorie, un orifice est une ouverture de forme quelconque à travers lequel sait s’écouler un fluide. L’ajutage quant à lui est un petit conduit de section circulaire, la différenciation en pratique est rendue difficile dans la mesure où une épaisseur nulle pour le premier cité n’est pas possible et qu’il sera donc, d’une certaine manière, toujours un tuyau. Malgré tout, on estime qu’une épaisseur de paroi inférieure à la moitié de celle de la plus petite dimension de l’ouverture n’engendre pas la même contraction de veine fluide, c’est comme cela que l’on définira donc la différence entre les deux termes. Différents auteurs se sont penchés sur les écoulements à travers ceux-ci : Théorème de Torricelli Ce théorème est une application directe de la formule de Bernoulli : Figure 12: Décharge d'un réservoir sous l'effet de la gravité Si on se base sur le point 3.1.1., on peut écrire : d & + 0d 2 + d = e & + 0e 2 + e + ,de +,/- . Torricelli, dans celui-ci, fait les hypothèses suivantes : Premièrement, il estime que pA= pB= patm, ce qui parait correct vu que nous considérons des écoulements à surface libre. Deuxièmement, il dit que la vitesse du fluide en A est négligeable, cette hypothèse parait être plus approximative. En effet, en imaginant le cas extrême d’un ajutage qui aurait la même section que le réservoir considéré, les vitesses en A et B seraient alors carrément égales, et celle en A loin d’être négligeable donc... Finalement, il ne considère pas non plus les pertes de charges. Il obtient donc le résultat suivant :
  26. 26. 19 0e = 22 f +B/g. Avec f = h − i. Il est intéressant de remarquer, comme le fait Boussinesq , que la vitesse sera toujours plus faible que celle calculée par cette formule. (BOUSSINESQ, 1892) Raffinement Dans la pratique, on observe un certain nombre de phénomènes comme la réduction de la veine fluide, visible par exemple dans le cas présenté en figure 13. Ce phénomène est provoqué par la viscosité du fluide étudié, et des forces internes qui sont induites, provoquant en des points particuliers des turbulences pénalisantes Figure 13: réduction de veine fluide Des études ont donc été réalisées pour proposer des coefficients correcteurs de débit Cd à la formule de Torricelli, selon certains paramètres de géométrie, de guidée de la veine fluide ou de forme par exemple. Cette valeur est définie à partir de la formule suivante : 1 = 1j. 1 Avec • Cv : Coefficient de vitesse, rapport entre la vitesse réelle et la vitesse théorique, correction de l’hypothèse d’une vitesse nulle au dessus du réservoir. Ce coefficient varie de 0.95 à 0.99 • Cc : Coefficient de contraction de la veine fluide, rapport entre la section contractée et la vitesse totale, prise en compte des pertes de charges. Ce coefficient varie de 0.61 à 0.65. On remarque que déjà pour une section circulaire, les corrections à apporter sont importantes. Les orifices dits rectangulaires larges ont aussi été étudiés la vitesse moyenne devient alors : 0 = 2l 1 3 6 22 f [/ − fY9 [/ +B/g. Avec • Hi : hauteur d’eau au dessus de la extrémité i de l’ouverture (m) • b : largeur de celle-ci (m) • Cd de l’ordre de 0,35 (Cv ≅ 0,7 ; 1 ≅ 0,5).
  27. 27. 20 3.1.5. Écoulements en charge Il arrive également qu’en cas de fortes crues, certaines conduites d’un réseau d’assainissement se mettent en charge. Il parait dès lors intéressant, de rappeler le calcul des écoulements en charge, bien que la loi de Bernoulli reste d’application, le calcul des pertes de charge sera fonction de nouveaux paramètres. En rendant adimensionnelle les équations de Navier-Stokes, c'est-à-dire en comparant les valeurs propres à l’écoulement à des échelles définies de longueur L et de vitesse moyenne V. Le deuxième terme du deuxième membre de l’équation au point 3.1.3., en page 15, sera alors précédé d’une valeur constante P &0qC comparant les effets d’inertie en dénominateur aux effets de viscosité du fluide. Cette valeur a été définie comme l’inverse du nombre adimensionnel de Reynolds valant 3r = &0q PC = 0qC avec les variables définies comme précédemment. Celui-ci caractérise complètement un écoulement, à un facteur d’échelle près ; ceux ayant un nombre de Reynolds équivalent présentant des similitudes, quelle que soit l’échelle définie. Cette définition nous permet donc de caractériser ceux-ci. Il a par exemple été remarqué expérimentalement qu’un écoulement devenait turbulent à partir d’une valeur de 2300 pour une conduite cylindrique. Figure 14: illustration d'un écoulement laminaire et turbulent Laminaires Comme le montre la figure 14, un écoulement laminaire sera défini par un flux de lignes de courant parallèles. Sous une certaine valeur de Re, pour une section circulaire, on peut résoudre le système de Navier-Stokes pour obtenir : 0 = T s3² = − 3² 8P J JN +B/g. Avec Bernoulli, pour une conduite horizontale entre deux points, on trouve pour les pertes de charges longitudinales: ∆f = − ∆ & +B. Supposant des frottements et une viscosité constante, on sait que le profil décroit donc de manière linéaire en avançant dans la conduite. Alors, ] ]` = ∆ t = "u?gL=?Lr. On peut de ce fait facilement intégrer. En développant les différents termes, on peut finalement écrire : ∆f = 64 3r q x 0² 2 = y q x 0² 2 +B.
  28. 28. 21 Avec λ, coefficient adimensionnel de frottement. On définit également - = y t z coefficient de charge, différentes valeurs de celui-ci peuvent également être trouvées afin de déterminer les pertes de charge singulières du réseau considéré. En effet, le passage par des chambres de regard et des changements de section provoquent, eux aussi, des variations qu’il convient d’estimer. Turbulents Dans le cadre du calcul d’un écoulement turbulent, il a été décidé de conserver par facilité la formule d’un déversement laminaire. Néanmoins, il fallait dès lors réussir à exprimer les valeurs de λ en fonction des cas, qui n’est plus une valeur constante. Une formule empirique a été trouvée par Colebrook pour des nombres de Reynolds supérieurs à 4000, la zone comprise entre ce chiffre et la fin d’un écoulement laminaire, en bleu sur la figure 15 étant transitoire et incertaine. Elle se présente comme ceci : 1 √y = −2 log( X 3,71 x + 2,51 3r √y ) Avec • z rugosité relative, mettant en rapport la hauteur moyenne des aspérités par rapport au diamètre de la conduite, afin d’obtenir un paramètre adimensionnel. Malheureusement, cette relation nécessite un calcul compliqué par itération, le caractère adimensionnel de celle-ci a malgré tout permis à Moody, de la résoudre en présentant l’ensemble des solutions sous forme d’un diagramme, présenté ci-dessous. En abscisse se trouve λ tandis que Re est en ordonnée. En régime turbulent, une courbe a été tracée par valeur de • z . Figure 15: diagramme de Moody En ce qui concerne les pertes de charges singulières, la variation du mode d’écoulement ne changera pas les équations considérées.
  29. 29. 22 3.2. Caractérisation des réseaux (BOURRIER, 2010) Bien que beaucoup de réseaux d’assainissement se ressemblent dans le principe, il existe plusieurs manières de concevoir ceux-ci. Elles sont développées dans le point suivant. 3.2.1. Types de réseaux Le premier choix à opérer lors du design d’un assainissement commun est le type de réseaux. Celui-ci est souvent décidé par des contraintes économiques et historiques. Plusieurs possibilités existent : Unitaires Dans le cadre d’un réseau unitaire, l’ensemble des débits sont collectés dans le même tuyau, qu’il s’agisse d’eaux pluviales ou d’eaux usées, on parle alors de « tout à l’égout ». Ce réseau unique mène donc l’ensemble des flux vers la station d’épuration, engendrant des sections importantes en aval au vu du rapport important qui existe entre le débit de temps sec de dimensionnement et celui de crue. Pour palier à ce problème, ce type de réseaux sera en général pourvu de déversoirs d’orage, servant à séparer le mieux que possible les eaux chargées ou non et d’envoyer celles qui ne le sont pas directement dans le milieu naturel, sans devoir passer par la centrale. Bien que pas idéal du point de vue écologique, ce type de réseau reste le plus répandu du fait de l’héritage de la politique du tout-à-l’égout née vers 1830. Le point faible de ce type de réseau est également qu’il a tendance à diluer la pollution dans une grande quantité d’eau claire, rendant le traitement plus difficile. Son avantage réside dans sa simplicité, n’imposant qu’une seule conduite et un seul branchement par entité à reprendre Il est nécessaire, pour ce type de réseau, de gérer au mieux possible les ouvrages de déversement. En effet, ceux-ci peuvent être d’importants facteurs de pollution du milieu naturel en cas de débordements intempestifs. Séparatifs Le système séparatif consiste à rendre le réseau plus spécifique en séparant les différents types d’eaux. D’une part, on collecte les effluents domestiques et industriels (à condition qu’ils ne soient pas trop chargés) et, d’autre part, on collecte les eaux de pluies dans un autre récepteur, qui pourra même par exemple être un égout à ciel ouvert. Celui-ci amenant directement les eaux de pluies vers le milieu naturel. Le traitement en station d’épuration peut alors être optimal au vu des débits plus faibles et moins variables reçus, surtout si l’on considère également le caractère constant de la charge à traiter. Malgré tout, ce système a l’inconvénient d’envoyer les premières pluies, en général fortement chargées en hydrocarbure, dans les cours d’eaux, de part leur ruissellement sur les voiries sales. En outre, il sera nécessaire de mettre en place un système pour détecter les éventuelles inversions de branchements, qui constitueraient des sources de pollution continues.
  30. 30. 23 Figure 16: illustration d'un réseau séparatif Pseudo-séparatifs Le pseudo-séparatif est une vision intermédiaire, les eaux de pluies ne sont plus toutes reprises dans un réseau secondaire. Celles provenant des toitures et cours intérieures sont mélangées avec les effluents domestiques tandis que les eaux de voiries s’écoulent par des ouvrages particuliers. Ce système a par exemple été retenu lors de la construction de la ville de Louvain-la-Neuve. Les avantages principaux de ce type de réseau résident dans le fait que seul un branchement n’est nécessaire par habitation et que le débit à la station sera tout de même réduit à la station en cas de crues. Malgré tout, il présente également les désavantages des deux systèmes, il faut donc bien réfléchir avant de poser ce choix. Le fait que le centre-ville de Louvain-la-Neuve soit piétonnier a probablement joué en la faveur de celui-ci, débarrassant ainsi les rues des déchets d’hydrocarbures, en grande partie issus du trafic routier. Mixtes Dans le cadre de la construction de nouveaux quartiers, il arrive de faire le choix d’utiliser un autre système que pour le reste d’une agglomération. En effet, si les bâtiments ne sont pas encore construits, la contrainte des sorties d’eaux différenciées n’en est plus vraiment une et on peut alors décider, par exemple, de réaliser du séparatif alors que le reste de la ville est dotée d’un réseau unitaire. Ce choix sera surtout intéressant si une voie d’eau naturelle existe à proximité pour déverser immédiatement les eaux de pluies, alors que les eaux usées viendront se jeter en aval dans le réseau unitaire existant, créant ainsi un réseau mixte. 3.2.2. Systèmes d’écoulements Gravitaires Les réseaux à écoulement gravitaire représente la très grande majorité des cas. À l’image des cours d’eau naturels, ils utilisent la simple gravité pour s’écouler, et représentent une solution économique une fois qu’ils ont été mis en place. Le réseau est donc créé suivant la topographie du terrain, les têtes amont se trouvent aux crêtes géographiques tandis que les exutoires sont situés dans les creux des vallées. Les bosses naturelles sont récupérées en creusant plus profondément dans le sol, amenant parfois à des excavations impressionnantes. Une autre difficulté consiste à gérer de fortes pentes naturelles, imposant de construire un réseau « en escalier » avec de
  31. 31. 24 nombreuses chambres de chute afin d’éviter que le fluide n’acquière une vitesse trop important, provoquant ainsi une érosion non maitrisée des conduites. Bien que paraissant très simple, ce système n’est pas toujours le plus facile à concevoir dans les grandes villes. En effet, l’égouttage est loin d’être la seule composante à utiliser le sol. Les tunnels ferroviaires, qu’il s’agisse de trains de trams et de métros, ou routiers créant par exemple une série de barrages sur de grandes distances, et généralement indépendamment de la topographie naturelle. Ces contraintes imposent parfois la construction d’ouvrages particuliers et dont le coût, que ce soit à la construction ou à l’entretien, n’est pas négligeable. On développera plus loin l’utilisation de siphons ou de stations de pompage. Non-gravitaires Il en existe plusieurs sortes, ils peuvent être économiques dans les zones rurales d’habitats dispersés, surtout si le relief est varié. Des conduites de faible diamètre, de 60 à 80 millimètres, sont disposées hors gel dans le sol. Cette configuration permet de diminuer significativement les coûts d’investissement de part l’économie de matériaux et les excavations plus faibles. Il offre également la possibilité au réseau de s’affranchir des contraintes topographiques, permettant de rassembler plusieurs communes pour une seule station d’épuration, en la plaçant simplement entre celles-ci. Le premier système est appelé « réseau sous pression », il consiste en une série de stations de pompage mises en série pour acheminer les effluents. Celles-ci sont de plus en plus grosses au fur et à mesure que la station se rapproche, devant gérer de plus en plus de flux. Le second est celui appelé « réseau sous vide ». Une station de vide est située au centre d’une zone pouvant reprendre jusqu’à 3000 équivalent-habitants. L’égouttage, dont le profil en long est en forme d’escalier (voir figure 17) afin de faire avancer progressivement les effluents vers la station. Chaque bâtiment possède sa station de récolte et l’alimente de manière gravitaire, celle-ci protégeant l’immeuble de l’aspiration. Une fois arrivés, les rejets sont stockés dans une cuve avant d’être pompés vers la station d’épuration de manière classique une fois que la cuve atteint un certain niveau. Figure 17: Illustration du profil en long d’un réseau sous vide Le dernier système est celui appelé « sous pression par aéroéjecteurs ». Un mini réseau gravitaire collecte les eaux localement dans une cuve en passant par un clapet anti-retour, une fois un certain niveau atteint dans celle-ci, ce réservoir est mis sous pression à l’aide d’un compresseur d’air, le vidant dans le réseau pressurisé.
  32. 32. 25 3.2.3. Schémas Il existe plusieurs stratégies permettant d’amener les effluents à la station d’épuration. Le schéma historique est celui à collecteurs perpendiculaires aux cours d’eau, permettant de rejoindre celui-ci. Cette conception date de l’époque où les eaux usées étaient directement rejetées dans les rivières. Ce schéma été adapté en utilisant des collecteur de rive, servant à reprendre ceux perpendiculaires. Néanmoins, cette construction pose parfois des problèmes pour garder des pentes acceptables ; en effet, celles-ci peuvent être trop importantes dans les collecteurs perpendiculaires hors du lit majeur, entrainant une érosion important ou imposant la construction d’ouvrages de chutes. Dans le collecteur de rive, c’est l’inverse, suivant le fond de la vallée et le cours d’eau naturel, la pente peut être très faible, réduisant la vitesse. Cela pose deux problèmes : d’une part, l’autocurage n’est pas toujours assuré pour le débit de temps sec, engendrant des dépôts. D’autre part, les débits de crues importants à reprendre imposent des sections très importantes, au vu des vitesses plus faibles (voir formules de Chézy au point 3.1.2.) Une autre approche consiste à rendre les collecteurs obliques par rapport aux pentes en descendant moins brutalement, un côté du tuyau reprenant les rejets des petits réseaux ramifiés venant de l’amont. Finalement, un schéma dit radial de collecteurs est parfois également utilisé. Ces collecteurs sont placés de façon à ramener les effluents en un point, soit directement la station d’épuration ou une station de relevage intermédiaire. 3.3. Ouvrages particuliers Bien que généralement gravitaires, les réseaux ne sont pas uniquement composés de chambres de visite et de conduites, certains ouvrages particuliers les jalonnent, les plus courants sont développés ci-après. 3.3.1. Déversoirs d’orage Les déversoirs d’orage sont des ouvrages fondamentaux dans un réseau unitaire, ils permettent de protéger l’aval en cas de crue. Il en existe une multitude de sortes mais le principe est toujours : un débit unique entrant est séparé en deux à partir d’une valeur limite. En temps normal, le débit dit « de temps sec » suit une voie préférentielle d’écoulement. Une fois que le débit augmente, celle-ci sature et le complément de débit est dévié, comme illustré sur la figure 18. Deux paramètres principaux définiront la limite de déversement à préconiser : l’aspect qualitatif d’une part et quantitatif d’autre part. Figure 18: illustration du principe de séparation des flux
  33. 33. 26 Les effluents étant en général directement envoyés vers le milieu récepteur sans traitement. Il est donc primordial d’évaluer la charge du débit de crue de part la dilution dans agents polluants provenant des effluents ou des eaux de ruissellement. Mais il est également primordial de pouvoir évaluer la capacité auto épuratrice du milieu naturel et l’impact probable sur la biodiversité. On choisira donc uniquement de déverser des eaux capables d’être naturellement épurée, à long terme. L’aspect quantitatif rentrera quant à lui en compte dans le calcul économique du projet. En effet, s’assurer d’un débit plus faible en aval permet la pose de conduites à plus faible section en conservant le même risque de mise en charge de celle-ci. À Bruxelles et en Wallonie, aucune norme légale ne régit les déversements en milieu naturels, il est donc commun lors de l’étude de projets de se baser sur la norme Flamande, limitant le nombre de déversement à sept par an. On peut donc en déduire qu’une pluie statistique de même occurrence ne devra alors pas faire déverser les ouvrages dans le modèle de conception. La géométrie du déversoir définira la répartition des débits une fois le débit critique atteint. Un seuil frontal favorisera le déversement vers le milieu naturel, l’inertie du fluide le poussant à continuer dans la même direction qu’en amont, tandis qu’un latéral aura l’effet inverse. D’autres géométries existent et ne seront pas développées. On peut par exemple citer les déversoirs circulaires, avec ouverture de radier, siphoïdes, à vannes ou à évacuation prolongée. 3.3.2. Vannes ou orifices Les vannes et les orifices permettent de contrôler les débits dans certaines portions. Un orifice est créé en plaçant un batardeau sur le parcours de la conduite afin de limiter le débit en aval de celui-ci. Si le débit aval est supérieur au débit évacuable par l’orifice, calculé comme expliqué dans le point 3.1.4., un stockage se produit alors observable par une montée de niveau jusqu’à atteindre un point d’équilibre. On peut également décider de placer ce type d’ouvrage en aval d’un déversoir pour forcer le déversement à partir d’un débit donné. Une vanne est, quant à elle simplement, un orifice dont la section est variable, soit mécaniquement avec intervention dans le réseau, soit à distance pour un contrôle en temps réel de débits par exemple. 3.3.3. Siphons Les siphons sont des alternatives aux stations de pompage aux endroits où il est nécessaire de franchir des obstacles, comme des cours d’eau ou des tunnels. Dans la théorie, le principe est très simple, on passe d’une conduite en amont à une autre plus basse en aval comme illustré ci- dessous. Entre les deux, on s’arrange pour rendre l’écoulement en chargea afin de lui donner une vitesse suffisante empêchant une sédimentation dans l’ouvrage. Figure 19: illustration d'un siphon
  34. 34. 27 Dans la pratique, les fortes variations de débit, particulièrement pour les réseaux unitaires, rendent difficile la conception de ces ouvrages. En effet, il est toujours nécessaire, comme pour les conduites normales de rester dans un intervalle de vitesse de fluide relativement restreint. Ces ouvrages nécessitent donc une grande attention une fois construits et leur entretien coûte cher, sans compter les difficultés à surmonter pour le construire. Néanmoins, il s ne sont pas toujours plus chers que les stations de pompage, pour lesquels il est nécessaire de payer de l’électricité et de remplacer périodiquement le matériel mécanique. 3.3.4. Bassins de stockage Un bassin de stockage est un réservoir tampon, plusieurs possibilités existent pour l’inclure dans le réseau, en parallèle ou en série par exemple. Le principe général restant toujours le même, une section relativement important permet à un débit conséquent de rentrer dans celui-ci alors qu’une section faible limite le débit de sortie, la différence étant stockée dans le volume, parfois de plusieurs dizaines de milliers de mètres cube. 3.4. Directive-cadre sur l’eau (DCE) (coordination Senne asbl) L’eau, en tant que telle, est une ressource vitale qu’il convient de protéger. C’est dans cette optique que la directive-cadre sur l’eau (DCE) a été adoptée le 23 octobre 2000 par les Institutions européennes, imposant à tous les États d’adapter leur législation en la matière. Le concept novateur de l’approche réside dans le caractère hydrographique et non politique des entités. En effet, la main n’appartient plus aux pays membres mais bien des organes propres à chaque bassin hydrographique, un petit peu à l’image des intercommunales belges. Ce texte de loi fixe des objectifs précis à atteindre, à la fois pour les eaux de surface et souterraines. La Senne appartient au district hydrographique international de l’Escaut, comprenant l’ensemble du bassin hydrographique du cours d’eau et de ses affluents. Celui-ci est géré par la France, les Pays-Bas et les trois entités fédérées belges ; l’environnement étant une compétence régionalisée dans notre pays. « L’eau est un patrimoine précieux qu’il faut protéger, défendre et traiter comme tel. L’eau est un système qui n’inclut pas seulement les cours d’eau, mais aussi les eaux souterraines, les rivières, les vallées, les plantes et les animaux qui y vivent. Rétablir, maintenir et développer ce système de l’eau et l’utiliser de manière durable est l’idée centrale de la gestion intégrée de l’eau. » Extrait de la Directive Cadre européenne sur l’Eau 2000/60/CE
  35. 35. 28 3.5. Réseau Bruxellois Comme expliqué dans l’historique de la Senne au point 2.1.1., le réseau d’assainissement bruxellois est aujourd’hui plus que centenaire. Il s’est construit au fil du temps et a subit un certain nombre de modifications pour avoir la forme qu’il a aujourd’hui. 3.5.1. Historique La question de l’épuration des eaux fût posée à partir des années 1850, quand des études furent menées sur le sujet. À cette époque, l’ensemble des eaux, qu’il s’agisse d’eaux industrielles ou ménagères s’écoulaient directement dans la Senne ou l’un de ses affluents sans le moindre traitement préalable. La première question qui se posa fût le choix du type de réseau. Les différentes contraintes économiques firent pencher la balance vers un système unitaire, moins coûteux et techniquement plus facile à mettre en place, étant donné que la mise en place d’une seule conduite fût suffisante. Comme expliqué dans le point 2.1.1., il était question, lors du premier voûtement de la Senne en 1867 de construire une station d’épuration à la sortie de Bruxelles. Ces travaux ne purent malheureusement pas être menés à bien du fait de l’emprise très importante sur le sol de la ville d’une telle construction. Mais ce n’était pas le seul problème, en effet, il était également nécessaire de poser d’important collecteurs d’amenée qui reprendrait l’ensemble des branchements dans la Senne afin de ne plus polluer celle-ci. Entre temps, au milieu du XXe siècle naquit l’idée de la construction de la jonction ferroviaire Nord-Midi, ce long tunnel dans Bruxelles imposa la déviation de nombreux égouts le long de celui-ci, constituant un barrage aux collecteurs qui rejoignaient la Senne en droite ligne. Figure 20: schématisation du réseau (en noir) en 1983 sur le bassin versant et emplacement des stations et collecteurs primaires à construire (Société Intercommunale pour l'Assainissement, 1983)
  36. 36. 29 Il fallut attendre les années 80 pour que soient relancées des études pour répondre au problème d’épuration, laissant place à plus d’un siècle d’inaction, malgré le développement constant de la ville et l’augmentation des effluents qui en découlait. Il fût alors décidé de transformer le réseau de cette époque (en noir sur la figure 20) et de remplacer le collecteur unique du fond de la vallée par deux autres qui renverrait chacun à une station de traitement. Ces travaux prirent de nombreuses années et la première, celle d’Anderlecht au sud (A sur la figure 20), ne fût mise en service qu’en 2000. Sa capacité d’épuration permettant de traiter 400 000 équivalent-habitants (EH). La plus grande des deux, celle de Buda (B) en aval de Bruxelles et Capable d’épurer 1 100 000 EH, fût opérationnelle en 2008, permettant pour la première fois de traiter la pollution engendrée par la Région dans le cours d’eau, qui était mesurable jusqu’à la Mer de Nord. 3.5.2. Définition du réseau Pour synthétiser, il est possible de définir l’assainissement bruxellois comme un réseau unitaire gravitaire à collecteurs oblique. Il est également composé de nombreux bassins d’orages le protégeant assez bien des précipitations courtes et de d’intensité forte, au même titre que les déversoirs d’orage 4. Prévention des inondations urbaines Le point suivant abordera les différentes optiques permettant de diminuer le risque d’inondations liées à des épisodes de pluie de faible occurrence. 4.1. Canalisation des cours d’eau Les cours d’eaux naturels peuvent présenter des fortes variations de niveau entre différentes périodes de l’année et les berges naturelles ne sont pas toujours idéales au niveau hydraulique. En effet, on peut par exemple facilement se rendre compte qu’un pertuis en ciment relativement lisse permettra un meilleur écoulement, et donc une évacuation plus efficace, par rapport un lit naturel de section variable, créant turbulences et pertes de charge, et plus rugueux. Tout ralentissement de la vitesse moyenne provoquant de facto une augmentation de la section d’écoulement pour un débit constant à évacuer. 4.2. Dimensionnement des conduites Un autre paramètre qui peut paraitre trivial est le bon dimensionnement des conduites. Quoi qu’il se passe, il faut toujours être conscient que le calcul de tels ouvrages doit se faire pour une durée de vie très importante et que la moindre erreur ou imprécision pourra avoir des conséquences importantes, surtout si l’on se trouve en aval du réseau. Évaluer l’ensemble des paramètres pour la situation actuelle n’est déjà pas toujours facile, alors que dire d’évaluer la population, l’imperméabilité du sol et l’évolution des précipitations par exemple pour les cinquante prochaines années. Cependant, il ne faudra pas non plus négliger les conditions d’entrée dans le réseau, il est très fréquent que des problèmes soit causés par de simples avaloirs bouchés, empêchant le ruissellement de rentrer dans le réseau d’égouttage. Il faudra toujours veiller à ce que le débit capable de la somme de ces petits ouvrages soit toujours suffisant pour permettre un transfert efficace de l’un à l’autre.
  37. 37. 30 4.3. Bassins d’orage La tendance actuelle est à l’aménagement de nombreux bassins d’orages. Cette stratégie, bien que coûteuse à mettre en place, parait très logique et efficace, demandant relativement peu d’entretien ensuite. Ils permettent d’étaler les pics de crues dans le temps, protégeant ainsi le réseau en aval de ceux-ci. 4.4. Utilisation des capacités de stockage du réseau À certains endroits du réseau, et plus particulièrement si la différence entre le débit de temps sec et celui de crue est plus importante que d’habitude, il peut être intéressant d’imaginer des sections particulières, permettant à la fois de garantir le fonctionnement pour un flux très faible et très important, comme par exemple la section présentée en figure 21. De plus, si pour une raison ou une autre, un bouchon se créer en aval, il faudra d’abord remplir le grand volume des conduites avant de déborder. Figure 21: illustration d'une conduite à fort stockage 4.5. Mesures urbanistiques Longtemps négligées par les pouvoir publics, les mesures urbanistiques peuvent fortement influencer la capacité d’un espace urbain à accepter ou non une pluie importante. En effet, l’imperméabilisation du sol et du type de toiture par exemple peuvent jouer un rôle important. Les règles en vigueur dans les villes peuvent donc avoir un impact favorable. 4.5.1. Occupation des sols Le paramètre déterminant sera le caractère imperméable des sols. En effet, comme le montre la figure 22, le rapport enter ruissellement, évapotranspiration et infiltration varie en fonction de celle-ci. Pour une même précipitation, on peut donc dire d’après celle-ci qu’il pourrait avoir un impact du simple à plus du quintuple sur le débit à reprendre dans le réseau, ce qui se passe par exemple quand on remplace un are de jardin par une terrasse bétonnée.
  38. 38. Figure 22: répartition des flux en fonction de l’imperméabilité du s Des études menées pour l’instant et soutenues par BELSPO, la politique scientifique fédérale, tentent d’évaluer l’impact de la présence de surfaces perméables dans une ville. Quatre paramètres sont étudiés : le nombre d’espaces verts, leur taille, leu connectivité entre ceux-ci. 4.5.2. Autres mesures D’autres mesures peuvent avoir un effet favorable. En effet, on pourrait par exemple inciter les gens à installer des toitures vertes, créant virtuellement une surface perméable. En regard figure 22, on peut supposer qu’on profitera, dans un premier temps, d’une meilleure évapotranspiration et, dans un second, on bénéficiera du fait celle percolation retardant le temps de concentration vers l’aval. est facile d’imaginer les conséquences bénéfique à la réduction du débit total d’une part et par l’étalement du pic de crue d’autre part. En effet, si deux maisons l’une à côté de l’autre présentent une toiture classique pour l’une et verte pour l’autre, elles répercuteront donc un pic de crue de manière déphasée dans l’égout. répartition des flux en fonction de l’imperméabilité du s menées pour l’instant et soutenues par BELSPO, la politique scientifique fédérale, tentent d’évaluer l’impact de la présence de surfaces perméables dans une ville. Quatre : le nombre d’espaces verts, leur taille, leur indice de forme et la Autres mesures D’autres mesures peuvent avoir un effet favorable. En effet, on pourrait par exemple inciter les gens à installer des toitures vertes, créant virtuellement une surface perméable. En regard , on peut supposer qu’on profitera, dans un premier temps, d’une meilleure évapotranspiration et, dans un second, on bénéficiera du fait celle-ci va agir comme une éponge, sa percolation retardant le temps de concentration vers l’aval. En généralisant à un bassin versant, il est facile d’imaginer les conséquences bénéfique à la réduction du débit total d’une part et par l’étalement du pic de crue d’autre part. En effet, si deux maisons l’une à côté de l’autre présentent sique pour l’une et verte pour l’autre, elles répercuteront donc un pic de crue de manière déphasée dans l’égout. 31 répartition des flux en fonction de l’imperméabilité du sol menées pour l’instant et soutenues par BELSPO, la politique scientifique fédérale, tentent d’évaluer l’impact de la présence de surfaces perméables dans une ville. Quatre r indice de forme et la D’autres mesures peuvent avoir un effet favorable. En effet, on pourrait par exemple inciter les gens à installer des toitures vertes, créant virtuellement une surface perméable. En regardant bien la , on peut supposer qu’on profitera, dans un premier temps, d’une meilleure ci va agir comme une éponge, sa En généralisant à un bassin versant, il est facile d’imaginer les conséquences bénéfique à la réduction du débit total d’une part et par l’étalement du pic de crue d’autre part. En effet, si deux maisons l’une à côté de l’autre présentent sique pour l’une et verte pour l’autre, elles répercuteront donc un pic de crue de

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