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Modélisation hydraulique et de la qualité d'eau dans les réseaux d'adduction d'eau potable par EPANET

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par Jalel KHELIL
ENIT - Master Modélisation en hydraulique et environnement 2006
  

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UNIVERSITÉ DE TUNIS EL MANAR

MEMOIRE DE MASTERE EN

MODELISATION EN HYDRAULIQUE ET ENVIRONNEMENT

Élaboré par : Jalel KHELIL
Soutenu le devant le jury composé de :

Président Membre

Membre

Mr. Khlifa MAALEL Encadreur

Mr Hedi CHANNOUFI Invité

S O M M A I R E

L I S T E D E S F I G U R E S

L I S T E D E S T A B L E A U X

LISTE DES ANNEXES

R E S U M É

INTRODUCTION GENERALE

Chapitre I: Concepts de bases de la modélisation hydraulique 1

I-1 / Principales phases de la modélisation 1

I-2/ Equations d'équilibrage hydraulique 1

I-3/ Méthodes numériques pour la résolution des équations d'équilibrage hydraulique 4

I-3-1/ Principe de l'approche hybride noeud-maille 4

I-3-2/ Algorithme de simulation 5

I-4/ Conclusion 8

Chapitre II: La dégradation du chlore dans l'eau : Processus et approches de modélisation 9

II-1/ Généralités 9

II-1-1/ Conservation de la masse 9

II-1-2/ Mélange aux noeuds 11

II-1-2-1/ Noeud sans injection de constituant 11

II-1-2-2/ Noeud avec injection de constituant 11

II-1-3/ La cinétique des réactions 12

II-1-4/ Les processus de transport dans un fluide 13

II-1-4-1/ Le mécanisme d'advection 13

II-1-4-2/ La diffusion moléculaire 13

II-1-4-3/ La diffusion turbulente 14

II-1-4-4/ La dispersion 14

II-1-4-5/ L'impact de la diffusion et la dispersion 14

II-2/ Processus de dégradation du chlore dans l'eau 15

II-2-1/ Différentes formes du chlore 15

II-2-2/ Réactions chimiques du chlore dans l'eau 15

II-2-3/ Notion de demande en chlore 16

I-2-4/ Principaux facteurs physicochimiques influençant la dégradation du chlore dans l'eau 16

II-2-4-1/ pH et minéralisation 17

II-2-4-2/ Température 18

II-2-4-3/ Oxygène dissous 18

II-2-4-4/ Turbidité 18

II-2-4-5/ Matière organique 18

II-2-4-6/ Dureté 18

II-2-4-7/ Ions fer 19

II-2-4-8/ La nitrite 19

II-3/ Approches pour la modélisation de la dégradation du chlore 19

II-3-1/ Modèles de dégradation de chlore à coefficients invariables 20

II-3-2/ Modèles de dégradation de chlore à coefficients paramétrés 21

II-4/ L'algorithme de simulation de la qualité d'eau par EPANET2 22

II-4-1/ Principe 22

II-4-2/ L'algorithme 22

II-5/ Conclusion 24

Chapitre III: Mise en place d'un modèle de dégradation du chlore pour les réseaux d'adduction d'eau potable. Cas de la région de Bizerte 25

III-1/ Construction du modèle hydraulique 25

III-2/ Construction du modèle de dégradation paramétré du chlore : Cas général 27

III-2-1/ Détermination du coefficient de dégradation du chlore dans la masse d'eau 28

III-2-2/ Couplage du modèle qualité d'"EPANET2"avec le tableur Excel 30

III-2-2-1/ Hypothèse 30

III-2-2-2/ Exportation des informations du modèle EPANET vers Excel 30

III-2-2-3/ Mise en place de la feuille de calcul EXCEL 30

III-2-2-4/ Importation des informations par le modèle EPANET a partir de la feuille Excel 30 III-2-3/ Calage du modèle qualité : cas général 31
III-4/ Modèle hydraulique et de qualité d'eau : cas du réseau d'adduction de la région de Bizerte3 1

III-4-1/ Etendue de l'étude 31

III-4-2/ Mise en place du modèle hydraulique du réseau de la région de Bizerte 35

III-4-2-1/ Modélisation et consignes d'asservissement des pompes du modèle 37

III-4-2-2/ Modélisation et consignes d'asservissement des vannes du modèle 38

III-4-2-3/ Calage du modèle hydraulique 39

III-4-3/ Construction du modèle qualité 40

III-4-3-1/ Gestion de la qualité d'eau dans le réseau d'étude 40

III-4-3-2/ Détermination de la constante de dégradation de masse du chlore résiduel libre

dans l'eau 41

III-4-3-2-1/ Méthodologie 41

III-4-3-2-2/ Résultats statistiques des analyses et discussions 42

III-4-3-3/ Elaboration du fichier Input de qualité pour "EPANET2" 43

III-4-3-4/Calage du modèle qualité 47

III-5/ Conclusion 49

Chapitre IV: Exploitation des modèles hydraulique et de qualité du réseau d'adduction d'eau potable
de la région de Bizerte 50

IV-1/ Exploitation du modèle hydraulique développé 50

IV-2/ Exploitation du modèle de qualité développé 51

IV-3/ Exemples d'Amélioration de la qualité d'eau dans le réseau 55

IV-4/Impact des ouvrages de stockage sur la qualité d'eau 58

IV-5/ Conclusion 58

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES LISTE BIBLIOGRAPHIQUE

L I S T E D E S F I G U R E S

Figure II.1 :Demande en chlore (Cockx, 2005) 16

Figure II.2:Description schématique du modèle de transport 2-D de chlore 17

Figure II.3: Comparaison entre des études de dégradation du chlore (Ozdemir et Ger, 1998) 20

Figure III.1 Appareil de mesure du chlore dans l'eau "Le Comparateur" 28

Figure III.2: Plan schématique du réseau d'adduction de Bizerte 33

Figure III.3: Schéma du réseau d'adduction du modèle "EPANET2" 37

Figure III.4: Sélection des pompes 44

Figure III.5:Sélection des vannes de régulation des mélanges d'eaux 44

Figure III.6: Localisation des points d'échantillonnage 47

Figure IV. 1: Graphique type" balance en eau" 50

Figure IV.2: Profil en long de la conduite d'adduction à partir de la station de traitement jusqu'au réservoir de "Rhézala" 51

Figure IV.4: Distribution du chlore résiduel libre dans la conduite d'adduction de la station de traitement de Mateur en périodes estivale et hivernale pour les pics et les creux de consommation. 52

Figure IV. 5: Distribution du temps de séjour en période hivernale et estivale 53

Figure IV.6: Distribution du coefficient Kb en période hivernale et estivale 54

Figure IV.7: Modulation du taux de chlore (à droite) et de la vitesse d'écoulement (à gauche) au niveau de la station de reprise Roumadia pour les périodes hivernale et estivale. 55

Figure IV.8:Représentation schématique de la formation et de la structure d'un biofilm au sein d'un réseau d'eau potable (Gauthier,2001) 56

Figure IV.9:Distribution modifié du chlore résiduel libre dans la conduite d'adduction de la station de traitement de Mateur 57

Figure IV.10: Impact des ouvrages de stockage sur la qualité d'eau 58

L I S T E D E S T A B L E A U X

Tableau I.1: Formules de perte de charge totale (exprimée en mce et le débit en m3/s) 3

Tableau II.2: Quelques ordres de grandeurs du coefficient de dégradation de chlore dans l'eau (Frederick L et al, 1992) 21

Tableau III.1: Equation de corrélation entre Kb, T et Co 43

Tableau III.2: Exemple du fichier "input" de débits moyens des pompes et vannes de régulations 45

Tableau III.3: Exemple de coefficients Kb, mélange (en mn-1) et Kw (avant calage) 46

Tableau III.4: Chlore résiduel libre mesuré et calculé 48

LISTE DES ANNEXES

Annexe 1 : Technique de détermination de la concentration du chlore résiduel libre.

Annexe 2 : Logiciel de calcul statistique REGRESS 1.0

Annexe 3 : Données d'exploitations (SONEDE/District de Bizerte) Annexe 4 : Courbes de modulations horaires

Annexe 5 : Résultats d'analyses physico-chimiques (Laboratoire Ghdir Golla)

Annexe 6 : Etude de régression du chlore résiduel total.

Annexe 7 : Détermination des équations de corrélation entre Kb, Co et T pour chaque groupe de sources d'eau.

Annexe 8 : Générateur des coefficients Kb, mélange Annexe 9 : Calage du modèle qualité d'EPANET Annexe 10: Base de données du modèle EPANET Annexe 11 : Logiciel de modélisation EPANET

1

R E S U M É

Cette étude a pour objectif l'analyse expérimentale et l'élaboration d'un modèle hydraulique et de dégradation du chlore pour les réseaux d'adduction d'eau potable. La partie principale de notre travail a consisté à concevoir, réaliser et exploiter un modèle hydraulique et de dégradation du chlore spécifique pour le réseau d'adduction de la région de Bizerte. Ce modèle devrait refléter le mieux la réalité du terrain tout en restant simple.

L'outil informatique utilisé pour l'élaboration des modèles hydraulique et de qualité est le logiciel EPANET2. Ce logiciel est distribué gratuitement par l'agence américaine E.P.A. (U.S. Environmental Protection Agency) depuis le mois de septembre 1993. Depuis, il est largement utilisé dans le monde entier grâce à ses algorithmes de calcul les plus avancés, son interface graphique conviviale et intuitive et grâce aux possibilités de liaisons avec d'autres logiciels d'application (Rossman, 2000).

Au cours de l'étude de l'éventuel corrélation entre les coefficients de la cinétique chimique de la dégradation du chlore dans l'eau avec certains paramètres choisis de la bibliographie, on a supposé que :

- les réactions chimiques du chlore à l'intérieur des réseaux et les mélanges aux interconnexions sont ceux qui définissent la qualité d'eau à chaque point du réseau et à tout moment

- l'origine et la température d'eau ainsi que la consigne de chloration au niveau des points d'injection du chlore dans le réseau sont les paramètres qui participent à la détermination des cinétiques des réactions de dégradation du chlore dans l'eau.

Les coefficients ainsi déterminés, sont exploités dans la mise en place du modèle qualité du logiciel EPANET2.

En se basant sur un total de 84 échantillons, nous avons étudié, pour des conditions initiales différentes, l'évolution de la concentration du chlore dans chacun d'eux dans le temps et dans des conditions initiales différentes par le moyen de l'appareil de mesure du chlore "chloromètre". Un total de 831 mesures a été réalisé pour constituer la base de données de l'étude statistique où on a évalué la corrélation entre les coefficients de la cinétique chimique de la dégradation du chlore et certains paramètres tel que la température, la matière organique et la concentration initiale du chlore. Les résultats statistiques ont donné des coefficients de dégradation R2 compris entre 0,65 et 0,95.

Pour tenir compte de cette dépendance dans le modèle qualité d'EPANET2, traduite par les coefficients de dégradation du chlore - coefficients primordiaux pour la simulation de la qualité des eaux, nous avons développé une interface entre "EXCEL" et EPANET2. Cette interface matérialisée

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par une feuille de calcul EXCEL renferme les résultats de l'étude statistique présentés sous forme d'équations de corrélation pour chaque tronçon de conduite. En effet, après avoir élaborer et ajuster le modèle hydraulique, les débits moyens sur un intervalle de temps prédéfini, résultants de la simulation hydraulique, sont exportés vers la feuille de calcul EXCEL où les coefficients sus indiqués sont par la suite générés et transmise au modèle de qualité d'EPANET2.

Les résultats de la simulation du comportement du chlore dans le réseau étudié traduit bien la réalité du terrain en comparant les concentrations mesurés et calculés.

Mots clés : réseau adduction, eau potable, modélisation hydraulique, dégradation du chlore résiduel libre, EPANET2.

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La Quadrature du Net