Lignes directrices visant la conception des éléments d'un système BVF

| 3.2 Conception du bassin de stockage-décantation |
| 3.3 Détermination du débit sortant du bassin de stockage-décantation |
| 3.4 Réseau de captage-évacuation | 3.5 Réseau de transfert | 3.6 Conception du réseau d'épandage |
| 3.7 Conception de la zone d'infiltration | 3.8 Préparation de l'avant-projet |
| 3.9 Fonctionnement et entretien |

3.5 Réseau de transfert

• 3.5.1 Mécanisme de transfert
• 3.5.2 Canal de transfert
• 3.5.3 Gestion de l'é oulement jusqu'au tuyau de transfert
• 3.5.4 Calcul du tuyau de transfert
• 3.5.5 Équation de Manning servant au dimensionnement des tuyaux

Le réseau de transfert assure l'acheminement des eaux de ruissellement du réseau de captage-évacuation au réseau d'épandage.

3.5.1 Mécanisme de transfert

Les deux mécanismes qui sont utilisés pour le transfert de l'effluent du puisard à la zone d'infiltration sont :

• l'écoulement par gravité;
• le pompage.

L'écoulement par gravité, le mécanisme à privilégier parce que le moins coûteux, n'est possible que si le dénivelé est suffisant entre l'aire de captage ou le puisard et la zone d'infiltration. Si le dénivelé est suffisant pour acheminer efficacement l'effluent par gravité, c'est la solution qui s'impose. L'expérience vécue dans le nord-est des États-Unis montre toutefois qu'une pompe est nécessaire dans la majorité des cas entre le bassin de stockage-décantation et la zone d'infiltration. Évidemment, si l'effluent ne peut s'écouler par gravité de l'aire de captage à la zone d'infiltration, il devient incontournable de recourir à une pompe. Il faut parfois même plus d'une pompe si l'effluent provenant de l'aire de captage ne s'écoule pas de lui-même jusqu'au bassin de stockage-décantation externe; c'est notamment le cas quand on cherche à tirer parti d'une structure de stockage existante (p. ex. un réservoir surélevé).

3.5.2 Canal de transfert à ciel ouvert

Dans un système BVF, il est toujours préférable d'assurer le transfert de l'effluent au moyen d'un tuyau de transfert. Des tuyaux sont nécessaires à la plupart des éléments d'un système BVF. Ils remplissent la double fonction d'imposer une vitesse et un trajet d'écoulement. L'aménagement d'un canal de transfert à ciel ouvert (voir figure 3.4) se limite aux terrains qui offrent un dénivelé suffisant pour permettre l'écoulement par gravité du bassin de stockage-décantation à la zone d'infiltration. L'aménagement d'un canal à ciel ouvert ne doit être envisagé que lorsque la zone d'infiltration est immédiatement adjacente à un bassin de stockage-décantation intégré. L'effluent provenant du bassin de stockage-décantation intégré est alors évacué vers la base d'un mur de retenue et acheminé vers le canal à ciel ouvert. Celui-ci doit avoir moins 20 m (65,6 pi) de long et doit mener à un canal d'épandage empierré bordant le sommet de la zone d'infiltration. Il est parfois indiqué de revêtir le canal de transfert pour éviter l'infiltration des eaux usées jusqu'à la nappe phréatique. Il faut aussi parfois prévoir un ponceau au-dessus du canal à ciel ouvert pour permettre le passage des humains, du bétail ou de la machinerie.

Voici les points à prendre en considération dans la conception du canal à ciel ouvert en vue de son entretien et de son bon fonctionnement :

• accumulation des matières solides dans le canal;
• répercussions des saisons, de l'hiver surtout, qui peuvent rendre le canal inutilisable;
• exigences d'entretien accrues associées à l'enlèvement du limon, à la maîtrise de la végétation et éventuellement à la présence de rongeurs;
• besoin de mesures de protection contre l'érosion et de dissipation de l'énergie dans le cas des canaux soumis à de forts écoulements.

Il est recommandé d'utiliser des tuyaux de transfert plutôt que des canaux de transfert, car l'expérience qui a été faite des systèmes BVF dans le nord-est des États-Unis montre que les tuyaux acheminent l'effluent plus efficacement.

Figure 3.4 Canaux de transfert et d'épandage

3.5.3 Gestion de l'écoulement jusqu'au tuyau de transfert

Que le bassin de stockage-décantation soit intégré ou externe, l'effluent évacué du bassin est dirigé vers un puisard creusé dans le sol. Le puisard constitue le point de captage central de tout le volume d'écoulement destiné à être transféré vers la zone d'infiltration. Le puisard facilite la création d'un écoulement pulsé, un facteur qui contribue pour beaucoup à l'utilisation optimale de la zone d'infiltration. L'écoulement pulsé permet en effet à la zone d'infiltration de recevoir un écoulement constant chaque fois que la pompe est activée, ce qui favorise un épandage uniforme. Or, ce point est d'une importance capitale pour le rendement et l'efficacité de la zone d'infiltration.

À la sortie du bassin de stockage-décantation, l'effluent est évacué vers un puisard. Puis, un siphon ou une pompe l'achemine vers le tuyau ou le canal de transfert. Le siphon tire parti de l'écoulement par gravité pour évacuer l'effluent vers le tuyau de transfert. Une pompe devient nécessaire lorsque le dénivelé n'est pas suffisant pour permettre l'écoulement par gravité. La figure 3.5 illustre les configurations possibles selon que l'écoulement se fait par gravité ou par pompage.

Écoulement par gravité

Quand l'écoulement se fait par gravité, on obtient un écoulement pulsé vers la zone d'infiltration en installant un siphon automatique dans le puisard pour en assurer la vidange (p. ex. Flout^MC, www.rissyplastics.com)¹ . Le siphon automatique (voir figure 3.5) se met en marche au moment où l'effluent atteint une certaine hauteur. Il fait alors baisser rapidement le niveau de l'eau dans le puisard. L'effet de chasse est plus ou moins grand selon la hauteur de rabattement. Après l'abaissement du niveau d'eau, le siphon interrompt l'écoulement de l'effluent. Le cycle se répète dès que le niveau d'eau dans le puisard atteint le niveau maximal établi. Le tuyau qui évacue l'effluent à la sortie du puisard doit avoir un diamètre de 100 mm (4 po), soit le diamètre du tuyau de transfert qui est suggéré pour les mécanismes d'écoulement par gravité.

¹La mention de marques de commerce ne saurait être interprétée comme signifiant que le MAAARO, le MEO ni CH2M HILL Canada Limited les recommandent de préférence à toute autre.

Il y a plusieurs facteurs à prendre en considération dans la conception du puisard quand celui-ci doit accueillir un siphon automatique. L'arrêt du siphon doit être déclenché dès que le niveau d'eau dans le fond du puisard tombe à environ 127 mm (5 po). Cette hauteur exclut la tranche morte de 173 mm (7 po) qui permet le dépôt des matières solides. Le niveau d'eau déclenchant la mise en marche du siphon doit se situer à au moins 150 mm (6 po) sous le radier du tuyau d'amenée du puisard. La profondeur de fonctionnement minimale d'un siphon automatique doit correspondre à la hauteur de rabattement majorée de 300 mm (1 pi). La profondeur du puisard doit être compatible avec les paramètres de fonctionnement du siphon automatique choisi. De même, la longueur du puisard doit être supérieure à la hauteur de rabattement du dispositif de dosage majorée de 600 mm (2 pi). L'emplacement du tuyau d'amenée qui alimente le puisard ne doit pas gêner le fonctionnement du dispositif de dosage. Des déflecteurs peuvent être nécessaires pour dévier l'écoulement à la sortie du tuyau d'amenée et influencer les déplacements d'eau à l'intérieur du puisard.

Figure 3.5 - Écoulement par pompage, par siphonnage et par gravité

Choix du bon débit entrant dans le tuyau de transfert Viser un débit entrant dans le tuyau de transfert de 10 % supérieur au débit sortant du bassin de stockage-décantation intégré ou externe. Calculer la hauteur de rabattement qui produira le débit entrant recherché dans le tuyau de transfert. La hauteur de rabattement doit être calculée en fonction de l'effet de chasse maximal qui produira le débit entrant recherché dans le tuyau de transfert.

Pompe et exigences d'installation

Une pompe d'eaux d'égout submersible (voir figure 3.5) fonctionne à l'aide d'un interrupteur à flotteur qui déclenche la mise en marche de la pompe à partir d'un certain niveau d'eau. L'interrupteur à flotteur peut être réglé de manière à modifier la hauteur de rabattement et la durée de l'écoulement. Installer la pompe à environ 300 mm (1 pi) au-dessus du fond du puisard afin de parer au dépôt des matières solides. Surélever la pompe en la déposant sur des blocs de béton ou sur des dalles de patio empilées. Veiller à ce que la pompe se trouve à un endroit facilement accessible depuis la trappe d'accès au puisard. Prévoir une source d'alimentation en électricité pour la pompe.

Choix du bon débit entrant dans le tuyau de transfert Viser un débit entrant dans le tuyau de transfert de 10 % supérieur au débit sortant du bassin de stockage-décantation intégré ou externe. Le débit de la pompe varie en fonction de la puissance de la pompe (en horsepowers) à diverses différences de charge hydraulique (différences d'élévation entre le point d'entrée dans le puisard et le point de raccordement avec le tuyau d'épandage). Il faut absolument décider de la puissance de la pompe en fonction du débit nécessaire. Se faire aider d'un fabricant pour déterminer : 1) la puissance que la pompe doit avoir; 2) les paramètres de fonctionnement compatibles avec les exigences de conception particulières du réseau de transfert; et 3) la courbe de rendement de la pompe retenue. Le débit de la pompe peut être modifié par le réglage de l'entraînement à vitesse variable, le changement de rotor, le changement de moteur pour un moteur d'une vitesse différente, ou l'installation d'un robinet-vanne permettant de réguler par étranglement le débit sortant de la pompe (un peu comme un diaphragme). Tout mettre en œuvre pour obtenir le débit recherché en fonction d'une zone d'infiltration raisonnable.

3.5.4 Calcul du tuyau de transfert

À la sortie du puisard, l'effluent est évacué par le tuyau de transfert qui est normalement raccordé au tuyau d'épandage. La grosseur du tuyau de transfert varie selon que l'écoulement se fait par gravité ou par pompage. La plupart du temps, un tuyau d'un diamètre de 100 mm (4 po) suffit pour un système à écoulement par gravité. Grossir le tuyau si celui-ci n'a pas une capacité suffisante compte tenu du débit nécessaire.

Sous la plupart des conditions, une pompe nécessite un tuyau de transfert de 38,1 mm (1,5 po) ou 50,8 mm (2 po). Ce sont là les diamètres habituels des tuyaux de transfert utilisés avec de petites pompes d'eaux d'égout. Ces deux grosseurs de tuyau permettent de négocier un vaste éventail de débits. Pour accroître le débit dans ces tuyaux, il faut augmenter la puissance de la pompe et son débit nominal (p. ex. davantage de horsepowers).

Dans un système BVF qui repose sur l'écoulement par gravité, la pente du tuyau de transfert détermine la capacité ultime du tuyau et la vitesse que peut y atteindre l'écoulement. Déterminer la pente du tuyau de transfert en divisant le dénivelé entre l'entrée et la sortie du tuyau par la longueur du tuyau. Mesurer l'élévation à l'entrée du tuyau de transfert à l'intérieur du puisard, et l'élévation à la sortie du tuyau de transfert, au point de jonction avec le tuyau d'épandage. Maintenir une vitesse d'écoulement minimale de 0,6 m/s (2 pi/s) dans un tuyau de 100 mm (4 po) quand l'effluent coule à pleins tuyaux, afin d'éviter que les particules en suspension ne se déposent dans le tuyau. Il s'agit là de la principale contrainte en ce qui a trait à l'écoulement par gravité. Le pompage s'impose si la pente n'est pas suffisante pour engendrer la vitesse d'écoulement minimale dans le tuyau de transfert. Donner au tuyau de transfert une pente suffisante pour assurer l'évacuation de tout l'effluent qu'il contient vers le tuyau d'épandage et la zone d'infiltration après chaque cycle d'écoulement pulsé.

Si l'écoulement est assuré par pompage, prendre en compte dans le choix de la pompe et des tuyaux, la différence de charge hydraulique totale entre l'entrée et la sortie du tuyau de transfert et les pertes par friction dans les coudes. Pour une bonne répartition de l'effluent à travers les orifices d'écoulement du tuyau d'épandage et sur toute la zone d'infiltration, le tuyau d'épandage doit être soumis à une charge hydraulique de 0,9 m (3 pi). Prendre en compte cette charge hydraulique dans le calcul de la charge hydraulique totale que la pompe doit remonter. Ménager une pente vers le puisard sur toute la longueur du tuyau de transfert. Si le tuyau ne se vide pas entièrement ou s'il ne peut être enfoui sous la profondeur de gel, l'isoler et l'entourer sur toute sa longueur de câbles de réchauffage de conduits.

Démarche de calcul

Pour dimensionner le tuyau de transfert, se faire au préalable une idée générale de son tracé. Voici les données à recueillir pour le dimensionnement du tuyau :

• débit recherché à la sortie de la pompe évacuant l'effluent vers le tuyau de transfert;
• matériau de fabrication du tuyau;
• pente du tuyau (montée entre l'entrée et la sortie du tuyau, et course entre les deux points) si l'écoulement se fait par gravité, ou différence de charge hydraulique (entre l'entrée et la sortie du tuyau de transfert), et pertes par friction si l'écoulement se fait par pompage.

Le texte qui suit reprend en détail chacun des éléments à prendre en considération relativement au tuyau de transfert.

Débit sortant de la pompe vers le tuyau de transfert Viser un débit de 10 % supérieur au débit sortant du bassin de stockage-décantation.

Matériau de fabrication du tuyau Les tuyaux de PVC conviennent à la plupart des applications des systèmes BVF. D'autres sortes de tuyaux font aussi l'affaire, en fonction de la conception du système BVF. Toujours vérifier auprès du fabricant si la sorte de tuyau choisie convient :

• aux eaux usées;
• aux conditions locales prévisibles;
• aux pressions prévues.

Si le tuyau sera soumis à des contraintes liées notamment à la circulation, le protéger convenablement des dommages qu'il pourrait subir.

Pente du tuyau de transfert dans un système à écoulement par gravité ou différence de charge hydraulique dans un système recourant au pompage Dans le cas d'un système à écoulement par gravité, c'est la pente du tuyau de transfert qui détermine la capacité du tuyau et la vitesse d'écoulement qu'il offre. On obtient la pente du tuyau en divisant la différence d'élévation entre l'entrée et la sortie du tuyau de transfert (montée) par la longueur de ce tuyau selon un plan horizontal (course). Maintenir une vitesse d'écoulement minimale de 0,6 m/s (2 pi/s) quand l'effluent coule à pleins tuyaux.
Si l'écoulement est assuré par pompage, prendre en compte dans le choix de la pompe et du tuyau, la différence de charge hydraulique totale entre l'entrée et la sortie du tuyau de transfert et les pertes par friction dans les coudes. Prendre également en considération dans le calcul de la charge hydraulique totale, la charge hydraulique de 0,9 m (3 pi) imposée au tuyau d'épandage.

L'équation Darcy-Weisbach sert à calculer les pertes de charge dues à la friction dans un tuyau.

Équation 3.8 Équation Darcy-Weisbach

hf = f (L/D) (V²/2g)

où :

h_f = perte de charge due à la friction (m)
f = facteur de friction (utiliser 0,020)
L = longueur du tuyau (m)
D = diamètre intérieur du tuyau (m)
V = vitesse d'écoulement moyenne (m/s)
g = accélération due à la gravité (m/s²)

Tenir compte des pertes de charge localisées dues à la friction, qui sont occasionnées notamment par les coudes et les soupapes, même si, dans la plupart des cas, elles ne représentent qu'un faible pourcentage des pertes de charge totales dues à la friction.

3.5.5 Équation de Manning servant au dimensionnement des tuyaux

L'équation de Manning est l'équation la plus largement utilisée pour déterminer la capacité hydraulique d'un tuyau pour des écoulements par gravité et sous pression. L'équation 3.9 décrit les variables et unités à prendre en compte et définit la relation mathématique qui permet de déterminer ou de confirmer la grosseur d'un tuyau. Il s'agit ici de confirmer que lorsque l'écoulement se fait par gravité, la pente est suffisante pour produire la vitesse d'écoulement requise dans le tuyau de transfert. Un tuyau d'un diamètre de 100 mm (4 po) sera évalué en fonction d'un débit visé de 10 % supérieur au débit transitant à travers le diaphragme qui est nécessaire pour évacuer en un minimum de quatre heures le volume de stockage maximal établi par la méthode prudente d'un bassin de stockage-décantation intégré (valeur établie dans un exemple précédent). Le même calcul doit être répété pour voir si le tuyau de 100 mm (4 po) permet de prolonger jusqu'à 10 heures le temps nécessaire à la vidange du bassin, et d'accueillir le débit augmenté de 10 %. De cette équation, on déduit la pente du tuyau. Si la pente offerte est supérieure à la pente calculée, la dimension du tuyau est acceptable.

Équation 3.9 Équation de manning

Q = (AR^2/3S^1/2)/n

Peut aussi se lire

V = (R^2/3S^1/2)/n

car

Q = VA

Par conséquent

S = [Vn/R^2/3]²

où :

Q = débit (m³/s)
A = aire du tuyau (m²)
S = pente du tuyau (m/m)
R = rayon hydraulique = dans un tuyau, rapport de la surface de la section mouillée au périmètre mouillé
n = coefficient de rugosité de Manning (pour tuyau PVC, n = 0,009)
V = vitesse d'écoulement (m/s)

Exemple : Si un bassin de stockage-décantation intégré doit être vidé en quatre heures, les hypothèses suivantes sont possibles : pour un tuyau d'un diamètre de 0,1 m (4 po) (rayon du tuyau = 0,05 m), un débit de 5,3 ×10^-3 m³/s (0,19 pi³/s) (pour la durée de vidange souhaitée, débit à travers le diaphragme de 4,8 ×10^-3 m³/s [0,17 pi³/s] majoré de 10 %), une vitesse d'écoulement de 0,6 m/s (2 pi/s) (vitesse minimale permettant de réduire l'accumulation de matières solides, aussi dérivée de l'équation de Manning avec Q = VA, à partir de laquelle on a isolé V). En remplaçant les variables par les valeurs indiquées ci-dessus, on résout l'équation de manière à trouver la pente. La pente =
{(0,6 m/s × 0,009)/[(3.14 × (0,05 m)²) / (3.14 (2) (0,05 m)]^2/3}² = 0,004 m/m (0,004 pi/pi). Une pente de 0,4 % permet à un tuyau de 100 mm (4 po) de diamètre d'évacuer le volume d'écoulement indiqué à la vitesse minimale de 0,6 m/s (2 pi/s).

Toutefois, si le même exercice est fait pour la durée de vidange de 10 heures, la vitesse d'écoulement engendrée par le tuyau de 100 mm (4 po) n'est pas suffisante pour garantir la vitesse d'écoulement minimale. Le résultat indiquerait qu'une pompe devrait probablement être installée pour permettre de respecter la vitesse d'écoulement minimale pour toutes les durées de vidange (4 à 10 heures). Un processus itératif peut devoir être entrepris pour vérifier la durée de vidange et le débit correspondant engendré par un tuyau de 100 mm (4 po) de diamètre avant que la vitesse d'écoulement dans le tuyau ne diminue sous l'objectif de 0,6 m/s (2 pi/s).

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