|
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
2
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.
2
| 
