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ARA Hochdorf LU

Contexte

La réfection de la station d’épuration (STEP) de Hochdorf conduit à réduire le débit d’entrée de la STEP de 350-400 l/s à 200 l/s. La suppression du déversement après le décanteur primaire génère d’importants rejets dans la rivière Ron. De plus, des rejets considérablement plus importants au niveau du BEP situé directement en amont de la station d’épuration sont attendus. Une étude a indiqué que des volumes de rétention supplémentaire importants (1000 à 2500 m³) seraient nécessaires pour limiter les impacts. Une autre étude parlait même d’un stockage supplémentaire de 3000 m³ avant la station d’épuration de Hochdorf. Ce projet, estimé entre 3 et 6 millions de CHF, a suscité des interrogations de la part des autorités.

Le réseau d’assainissement dispose en effet déjà de 4 bassins de rétention: RÜB ARA (440 m³), RÜB 1 Nutritec/Calomil (592 m³), RÜB 2 Sagenbach/Ziegelei (510 m³) et RÜB 4 Baldegg (150 m³). La question est donc de voir s’il est possible d’optimiser le fonctionnement de ces BEPs et des déversements avant de lancer la construction de nouvelles structures de stockage des eaux.

L’accent est donc mis ici sur une vision holistique du système. En effet, en plus des considérations techniques sur la STEP et le réseau d’assainissement, plusieurs études sur la rivière Ron et le lac de Baldegg montrent l’influence de l’homme sur le système aquatique en ce qui concerne la dégradation de la qualité de l’eau, de la faune et de la morphologie. Comme le canal de décharge du BEP en amont de la STEP constitue également le canal de sortie de la STEP de Hochdorf, l’influence des rejets pluviaux dans le cours d’eau ne peut pas être évaluée séparément du point de vue de l’écologie aquatique. Des études historiques montrent une nette dégradation de la qualité du cours d’eau en aval de la station d’épuration de Hochdorf. Aucune analyse explicite sur la qualité des cours d’eaux n’a encore été effectuée aux points de rejet des autres BEP du réseau.

À la suite de discussions avec les autorités cantonales (Canton de Lucerne),  il a été défini que le volume annuel total des rejets et des charges de tous les ouvrage avant l’assainissement de la STEP (350-400 l/s) et après l’assainissement (200 l/s) pourraient rester approximativement les mêmes. En effet, les points de rejet individuels des 4 BEP dans les eaux  sont tout aussi sensibles et peuvent donc être traités de la même manière. Cette hypothèse est appropriée, puisque selon le PGEE, tous les cours d’eau sont considérés de manière identique et que les rivières Sagenbach et Brunnenmöslibach se jettent dans le Ron après un court laps de temps.

Situation des différents points de rejets analysés dans le cadre de l’étude, avec positionnement des différents cours d’eau. Les points en bleus correspondent aux points de rejet, les points en rose aux points de mesures. Source: AquaPlus AG(2018).

 

Dans cet exemple, la stratégie poursuivie est de respecter les valeurs de la directive STORM pour le Ron (dans lequel l’égout unitaire est déversé) avec une forte probabilité, en utilisant le moins de volume de stockage supplémentaire possible en amont de la STEP.

 

Pourquoi une gestion intégrée à Hochdorf ?

L’analyse du comportement de remplissage/vidange des bassins d’eaux pluviales à Hochdorf a montré qu’il existe un potentiel considérable d’optimisation pour le fonctionnement des bassins de rétention présent sur le territoire de la commune. L’analyse et la validation de donnés pluviales à un pas de temps fin (5 minutes) a montré que la vidange des réservoirs n’est pas coordonnée. Il arrive fréquemment que les BEPs en amont des localités de Baldegg et de Sagenbach se vident déjà, alors que le réseau d’égouts unitaire continue à rejeter des eaux mixtes. Pour éviter cela, les bassins ne doivent être vidés que lorsque la capacité de l’entrée de la STEP est à nouveau suffisante.

Comme mentionné précédemment, les rejets dans le milieu récepteur (rivière Ron, Lac de Baldegg) génèrent des impacts clairement identifiés. En raison des travaux de reconstruction de la station d’épuration de Hochdorf, une gestion dynamique du réseau d’assainissement n’est pas nécessaire, car la capacité de la station d’épuration sera à nouveau augmentée après son achèvement et la situation devra être réévaluée.

Grâce à la connexion existante de toutes les structures hydrauliques au système de monitoring de la STEP de Hochdorf, tous les BEP et les pompes du réseau d’assainissement peuvent être contrôlés de manière centralisée. Dans le concept retenu, les paramètres de vidange des BEPs basés sur des règles sont définis dans le but de vider complètement tous les réservoirs dans les 10 à 12 heures suivant la fin d’une pluie.

L’objectif de la gestion intégrée des eaux dans cet exemple est donc d’optimiser le système en place, le fonctionnement des ouvrages de rétentions, sans impacter ni le milieu naturel ni le fonctionnement de la STEP.

Schéma global de fonctionnement du système d’assainissement à Hochdorf. Source: HOLINGER AG.

 

Données utilisées

Les données du système informatique de la STEP ont été évaluées pour la période allant du 04.08.2015 au 13.11.2016 avec une résolution de 5 minutes. Les données utilisées comprennent l’ensemble des données de mesure dans les ouvrages d’assainissement (BEP), hauteurs d’eau et débits, de même que les informations sur le fonctionnement des pompes.

Analyse des données mesurées en différents points du réseau. Source: HOLINGER AG

 

Dans le cadre de l’optimisation du système d’assainissement de Hochdorf, une surveillance axée sur les immissions dans les milieux récepteurs a été effectuée, par le biais d’analyses hydro-écologique in situ (Bureau AquaPlus). Cette analyse couvre à la fois les cours d’eau et la zone des rives du lac de Baldegg. Les analyses ont été réalisées en 2017 en été (lac de Baldegg) et en automne (cours d’eau) et permettent, entre autres, de hiérarchiser l’importance de l’impact des rejets du système d’assainissement sur les milieux naturels et de fixer des priorités d’action.

 

Outils mis en oeuvre

Pour la modélisation du réseau d’égouts de Hochdorf, les outil WaterElements (émissions), REBEKA 2 (immissions), SIMBA (optimisation dynamique) et REBEKA DIM sont utilisés. WaterElements est un modèle de simulation hydrologique comparable à SAMBA, CityDrain ou KOSIM, qui permet une modélisation simplifiée d’un réseau d’assainissement avec plusieurs structures de rejets – avec des options supplémentaires comme dans les programmes comparables mentionnés. Le logiciel SIMBA a été utilisé dans cet exemple pour l’optimisation dynamique du système.  Les immissions dans le milieu récepteur ont été modélisées avec REBEKA 2. REBEKA DIM permet de contrôler le dimensionnement hydraulique d’un BEP, il est utilisé ici pour analyser la nécessité d’un déversement en amont des BEP.

Les valeurs indicatives de STORM pour la rivière Ron (dans lequel les eaux mixtes sont déversées) doivent être respectées avec la plus grande probabilité possible. L’accent est mis sur la toxicité du NH4+, car il a été démontré que c’est le seul paramètre critique du calcul avec l’outil REBEKA. Il convient de noter que pour l’analyse des impacts, les rejets des 4 BEP sont dirigés par hypothèse vers la rivière Ron, en accord avec l’autorité cantonale. Le Ron est considéré comme le milieu récepteur principal et modélisé en conséquence, même si les BEPs individuels se déversent dans des affluents plus petits du Ron (Sagenbach, Brunnenmösliach) ou dans le Stägbach.

Les émissions provenant des différents bassins versants ont été modélisées à l’aide de WaterElements. Contrairement à REBEKA 2, les réseaux d’égouts plus complexes avec plusieurs rejets peuvent être calculés avec une seule simulation. Il n’est pas nécessaire, comme dans le cas de REBEKA 2, de diviser le système en sous-systèmes individuels avec un seul point de rejet. Une étude de variantes est donc beaucoup plus facile avec WaterElements. Néanmoins, un calcul stochastique des immissions n’était pas encore possible. Il a donc fallu utiliser REBEKA 2 pour cette tâche.

Pour le calage et la validation de la simulation avec WaterElements, la période de mesure des données du système a été divisée en deux périodes : une période pour le calage et une autre pour la validation. Avec les modèles calibrés et validés, différentes variantes ont été calculées et les émissions et immissions ont été déterminées.

 

Analyse PASST

L’analyse PASST sur le système d’assainissement de Hochdorf fournit le résultat : « La gestion dynamique des installations sur le bassin versant n’est pas conseillée ».

Analyse PASST pour l’évaluation du potentiel d’une régulation des différents ouvrages pour l’exemple de Hochdorf  Source: VSA

 

Ce résultat n’est pas directement conforme aux analyses effectuées  : une régulation des différents ouvrages par un ensemble de règle permet d’atteindre les objectifs fixés, sans savoir forcément recours à une gestion dynamique des flux. L’évaluation montre que PASST est utile pour une évaluation initiale très simplifiée du potentiel, mais que des vérifications spécifiques sont finalement nécessaires pour estimer efficacement le potentiel réel.

Approche intégrée pour le cas de Hochdorf

En termes de gestion intégrée des eaux, l’exemple de Hochdorf est particulier dans le sens qu’il se focalise principalement sur la gestion au niveau Réseau-STEP-Milieu, gestion parfaitement intégrée dans cet exemple.

Les autres domaines n’ont pratiquement pas été considérés dans les réflexions qui ont conduit à une gestion dynamique et optimisée du système d’assainissement au sens large. Comme on peut le voir dans la figure ci-dessous, seuls les domaines « Pêche » et « Loisir et détente » ont été faiblement intégrés (appréciation globale) dans les réflexions.

Illustration des différents domaines de la gestion intégrée des eaux concernés : cercle intérieur, domaine RSM, cercle extérieur: autres domaines également concernés

Pour l’aspect piscicole, il s’agit avant tout de suivre les buts globaux de protection du lac de Baldegg en limitant le plus possible les intrants en nutriments, notamment phosphore. Les rives du lac sont appréciées par le public, conduisant naturellement à mettre en place des solutions de retenue pour les déchets grossiers.

Cet exemple illustre bien le cadre de l’approche VSA : on peut tout à fait se focaliser uniquement sur les aspects réseaux-STEP-Milieu pour arriver à des solutions plus économiques et efficaces, sans pour autant mettre en œuvre une gestion multi-attribut complexe !

Synthèse

Grâce à l’analyse critique du PGEE de Hochdorf et aux études détaillées des données du système de gestion des données de la STEP de Hochdorf, une meilleure compréhension du système réseau/STEP/milieu a été obtenue.

Diverses variantes ont été calculées pour vérifier le volume supplémentaire de rétention d’eaux mixtes nécessaire en amont de la station d’épuration de Hochdorf.

Sur la base des résultats et en collaboration avec les autorités cantonales, le personnel de la STEP et l’administration communales, des mesures immédiates ont été mises en œuvre pour optimiser le fonctionnement des ouvrages de rétention afin de réduire les flux déversés.

L’analyse émission/immision à l’aide de REBEKA montre que les valeurs limites de la directive STORM peuvent être respectées (probabilité > 65%) avec les variantes déjà mises en œuvre ou proposées et qu’il n’y a donc pas de nécessité de construire un volume de stockage supplémentaire.

Le débit d’entrée de dimensionnement de la STEP a été augmenté de 200 l/s à 250 l/s (débit optimisé) suite à l’analyse des charges sur le système. La STEP a été adaptée en conséquence avec des modifications simples du système de pilotage.

Le volume total des rejets ainsi que les charges totales pour le phosphore, les MES et le NH4-N peuvent être réduits légèrement par rapport à la situation initiale avant la modification de la STEP.

Un volume supplémentaire de rétention de 500 m³ (variante supplémentaire analysée) ne permet pas d’obtenir des résultats nettement meilleurs en matière d’émissions et d’immissions pour l’ensemble du système.

Dans l’hypothèse où, vers 2035, la STEP de Hochdorf serait fermée et où les eaux usées seraient regroupées dans une STEP centralisée, aucun volume supplémentaire de rétention ne sera nécessaire d’ici là, et ce en accord avec les autorités cantonales, à moins que la surveillance axée sur les immissions et les émissions ne montre qu’il est exceptionnellement nécessaire d’agir.

La mise en œuvre de mesures alternatives telles qu’une gestion dynamique du réseau d’assainissement (avec des débits régulés, basés sur des règles de conduites avec des limites supérieures et inférieures) est proposée et a été mise en place. L’analyse PASST montre que la régulation « statique » par un ensemble de règle est conseillée : il sera intéressant de voir si la gestion dynamique permet d’améliorer sensiblement la situation.

L’installation d’un dégrilleur a été recommandée et mise en place pour le BEP ARA afin de limiter les impacts visuels en cas de défaillance opérationnelle des pompes de relevage.

Les résultats de cet exemple sont basés sur des simulations calibrées: il est important de les valider par des mesures. L’installation d’un débitmètre supplémentaire sur le déversoir du BEP ARA, connecté au système de pilotage centralisé, est recommandé. L’installation d’un capteur de turbidité après l’étape de filtration dans la station d’épuration est également recommandée afin de mieux comprendre le comportement de la STEP lors des épisodes pluvieux. Les données jouent un rôle clé dans cet exemple !

L’analyse REBEKA DIM du BEP ARA existant montre que  selon les directives de VSA les spécifications géométriques pour la zone de sédimentation ne peuvent pratiquement pas être respectées. Toutefois, une modification de ce BEP n’est pas considérée comme proportionnelle d’un point de vue technico-économique (comme par exemple la construction d’un ouvrage de pré-déversement).

Toute l’approche de gestion intégrée s’est réalisée en étroite collaboration avec le Canton qui participe régulièrement aux séances. Les solutions retenues ont un rapport coût/bénéfice très positif, sont très pragmatiques et participatives.

Une analyse complète de l’efficacité des mesures, notamment sur le milieu récepteur, est planifiée.

La gestion intégrée des eaux dans le cas de Hochdorf, en optimisant le fonctionnement de l’infrastructure en place, montre clairement les avantages de cette approche!

 

Sources d’information:

  • Kanton Luzern, Umwelt und Energie (2014). Zuflüsse zum Baldeggersee – Belastete Einleitungen 2012/2013.
  • HOLINGER AG und Fankhauser GEP Data Consulting (2017). Technischer Bericht Variantenstudium RÜB ARA Hochdorf.
  • HOLINGER AG (2017). Technischer Bericht Optimierung Entleerungsregime Aussenbauwerke ARA Hochdorf.
  • AquaPlus AG (2018). Kurzbericht Siedlungsentwässerung Hochdorf – Gewässerökologische Abklärungen.
  • HOLINGER AG (2019). Technischer Bericht Bewirtschaftungskonzept Aussenbauwerke ARA Hochdorf.

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