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Impact des changements climatiques sur le drainage urbain
Impact des changements climatiques sur le drainage urbain
En 2014, le Groupe d’expert intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) a publié le cinquième rapport d’évaluation sur l’état des connaissances sur les CC. Les conclusions tirées de ce rapport sont claires : les CC ont un impact sur les systèmes naturels et humains de tous les continents et sur tous les océans (GIEC, 2014).
Impact des changements climatiques sur les précipitations
Le consortium en climatologie régionale Ouranos a publié en 2015 une synthèse des connaissances sur les CC au Québec, dans laquelle il est mentionné que « toutes les régions du Québec peuvent s’attendre à des augmentations de la quantité maximale annuelle de précipitations, pour toutes les durées et pour toutes les périodes de retour » (Ouranos, 2015). Le groupe Ouranos présente un intervalle des changements relatifs projetés des précipitations totales pour différentes régions selon un ensemble de modèles climatiques globaux. L’intervalle présente les 10e et 90e percentiles des simulations climatiques CMIP5, pour deux scénarios d’émission de gaz à effet de serre, soit les RCP4.5 et RCP8.5. Le CMIP (« Coupled Model Intercomparison Project ») est un grand ensemble de simulations climatiques, permettant de réunir les résultats des différents centres de modélisation dans le monde. Les scénarios RCP (« Representative Concentration Pathways ») représentent des scénarios futurs plausibles en matière d’émissions de gaz à effet de serre, d’aérosols et d’autres gaz dans l’atmosphère. Le scénario RCP8.5 représente donc un forçage radiatif de 8,5 W/m², soient des émissions fortes et continues, alors que le scénario RCP4.5 représente un forçage de 4,5 W/m², soient une stabilisation sans dépassement des valeurs actuelles. Étant donné la grande incertitude sur l’évolution de l’émission des gaz à effet de serre, notamment due aux facteurs socio-économiques et aux décisions politiques, plusieurs scénarios d’émission sont généralement utilisés dans l’élaboration d’un ensemble de simulations climatiques (Ouranos, 2015). La Figure 1 présente une carte de la province ainsi que les 4 zones de référence utilisées dans le rapport d’Ouranos.
Le tableau 1 présente les intervalles de changements relatifs saisonniers projetés des précipitations selon les deux scénarios RCP pour la région Sud du Québec sur l’horizon 2050.
Tableau 1: Intervalles de changements relatifs projetés – région Sud du Québec (horizon 2050)
L’impact des CC sur les précipitations comprend une large gamme de possibilités selon les scénarios étudiés, mais même dans une situation de statut quo en matière d’émissions de gaz à effet de serre (RCP4.5), les précipitations totales saisonnières tendent à augmenter, en moyenne. Les modèles régionaux permettent, quant à eux, de réaliser des projections climatiques à plus fine résolution que les modèles globaux. L’ensemble North American Regional Climate Change Assessment Programme (NARCCAP), par exemple, est constitué de 17 projections climatiques régionales. C’est cet ensemble qui a été utilisé par Mailhot et al. (2012) pour leur analyse des précipitations extrêmes pour diverses durées et diverses périodes de retour pour 432 stations à travers le Canada. Une comparaison des données simulées avec les observations historiques sur 15 ans a été effectuée. Il en ressort que, de façon générale, les régions dans le Sud du Québec peuvent s’attendre à des augmentations de la quantité maximale annuelle de précipitations de 10 à 22%, qui varient en fonction des périodes de retour étudiées.
Impact des changements climatiques sur les réseaux de drainage urbain
L’augmentation de l’intensité et de la quantité des précipitations peut avoir des conséquences majeures sur le réseau de drainage urbain. Effectivement, des pluies fréquentes et plus intenses peuvent provoquer des inondations localisées et des épisodes de surverses plus fréquents (Ouranos, 2015). Les CC mèneront nécessairement au remplacement ou à la mise à niveau de plusieurs infrastructures dans un horizon futur (Félio, 2012). Les infrastructures seront grandement sollicitées et le niveau de service d’un réseau pluvial pourra s’en voir affecté puisque les réseaux sont actuellement conçus à partir des données historiques de pluie disponibles (Mailhot et al., 2007). Plusieurs études ont évalué l’impact des CC sur les réseaux de drainage urbain (Mailhot et al., 2008; Neumann et al., 2015; Rosenberg et al., 2010; Vidil, 2012). Annuellement, le volume total d’eau qui déborde des regards peut augmenter dramatiquement et de façon irrégulière, même avec un changement minime dans le régime des précipitations (Nie et al., 2009). Par ailleurs, des précipitations plus intenses peuvent mener à des débits de ruissellement plus grands, qui induisent un dépassement de la capacité hydraulique du réseau (Ayombo Ndombet, 2015). Ce ne sont que quelques exemples qui soulèvent l’importance pour une municipalité d’adapter son réseau de façon à ne pas réduire son niveau de service aux citoyens dans un contexte de CC.
Critères de contrôle des eaux pluviales
Plusieurs guides ont établi des critères en matière de gestion des eaux pluviales, notamment en ce qui concerne le contrôle qualitatif et le contrôle de l’érosion pour la protection des cours d’eau récepteur. Au Québec, le Guide de gestion des eaux pluviales (MDDEFP, 2011) stipule que le débit de pointe rejeté au cours d’eau récepteur ne doit pas excéder celui associé aux conditions qui prévalaient avant le développement urbain. De plus, il est recommandé que les matières en suspension (MES) soient enlevées à 80%, à long terme sur une base annuelle, alors que le phosphore doit l’être à 40%. Aucune recommandation n’est faite par rapport à l’enlèvement de l’azote, même s’il est reconnu que les eaux de ruissellement peuvent en contenir.
En Ontario (OMOE, 2003), le même 80% est requis en ce qui a trait à l’enlèvement des MES. Le contrôle de l’érosion se fait également par un débit maximal de rejet, mais celui-ci est variable, dépendamment du site, soit entre 28 et 40 L/s•ha pour une pluie de récurrence 2 ans. L’EPA (1983) exige aussi un pourcentage d’enlèvement des MES de l’ordre de 80%. Finalement, le guide de gestion des eaux pluviales du New Jersey (State of New Jersey, 2004) indique également un pourcentage requis d’enlèvement des MES de 80%. Aucun pourcentage n’est mentionné pour les nutriments, le phosphore et l’azote, mais les pratiques de gestion doivent être conçues de façon à réduire au maximum leur présence dans les eaux rejetées.
Certaines municipalités au Québec ajoutent une règlementation permettant de suivre ces recommandations provinciales. La Ville de Québec (2017) impose un débit de rejet maximal de 50 L/s•ha dans le cours d’eau récepteur afin de prévenir l’érosion des berges. La Ville de Lévis (2011) exige un taux de rejet maximal variant entre 10 et 50 L/s•ha, en fonction du bassin de drainage concerné. Dans le bassin versant de la Yamaska, le critère maximal de rejet est fixé à 25 L/s•ha (MRC de la Haute-Yamaska, 2012).
Pratiques de gestion optimales (PGO)
Les pratiques de gestion optimales (PGO) sont des mesures de contrôle du ruissellement à la source, en réseau ou en fin de réseau. Par exemple, les systèmes de biorétention, les tranchées d’infiltration, les pavés perméables ainsi que les noues et fossés engazonnés sont des mesures de contrôle à la source alors que les bassins de rétention sont des ouvrages de fin de réseau. La performance des PGO à l’échelle individuelle varie en fonction de la configuration de l’infrastructure.
Performances individuelles des pratiques de gestion optimales
À l’échelle locale, les PGO peuvent offrir des performances intéressantes en termes quantitatifs, soit par la réduction des débits de pointe ou des volumes de ruissellement, mais également au niveau qualitatif, tout dépendant de l’infrastructure utilisée. Elles offrent également un décalage des débits de pointe créé par l’infiltration de l’eau vers la zone de stockage jusqu’à la conduite de sortie, si un drain souterrain est inclus dans la configuration de la PGO. L’impact des différents processus se reflète sur l’efficacité des PGO à contrôler le ruissellement à la source, tel que schématisé à la Figure 2.
La section qui suit résume les différents processus qui entrent en jeu dans l’évaluation de la performance des PGO ainsi que les calculs effectués par le logiciel SWMM, pour mieux choisir les mesures d’adaptation. Ces informations sont tirées du manuel de référence de SWMM (EPA, 2016).
Une proportion de l’eau qui ruisselle sur les surfaces imperméables va se drainer vers la surface perméable que constitue la PGO. Cette eau sera soit infiltrée dans la couche de surface, évaporée dans l’atmosphère ou bien elle va ruisseler sur les surfaces environnantes. L’eau qui s’infiltre dans la couche de surface va ensuite percoler dans le substrat et se retrouver dans la zone de stockage, d’où elle va être de nouveau infiltrée dans le sol souterrain ou bien être évacuée par un drain souterrain. La performance de ces différents processus varie en fonction de la configuration de l’infrastructure et des conditions de sol. La Figure 3 présente les processus impliqués dans un système de biorétention. C’est cette PGO qui est choisie pour l’exemple puisqu’elle implique tous les processus possibles du module « LID » de SWMM.
Le choix du substrat va influencer grandement la performance en matière de réduction du débit de pointe. Effectivement, l’eau s’infiltre dans le substrat et percole à une certaine vitesse, en fonction des caractéristiques du substrat choisi. La capacité d’infiltration du substrat est influencée par la teneur initiale en eau et l’état de la surface. Si l’apport des précipitations surpasse la capacité d’infiltration, des surplus s’accumulent en surface et ruissellent. Dans SWMM, l’infiltration de la couche de surface vers le substrat est modélisée à l’aide de l’équation de Green-Ampt suivante (EPA, 2016)
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Table des matières
1. Introduction
2. Revue de littérature
2.1. Impact des changements climatiques sur le drainage urbain
2.1.1. Impact des changements climatiques sur les précipitations
2.1.2. Impact des changements climatiques sur les réseaux de drainage urbain
2.2. Critères de contrôle des eaux pluviales
2.3. Pratiques de gestion optimales (PGO)
2.3.1. Performances individuelles des pratiques de gestion optimales
2.3.2. Performances globales à l’échelle du bassin versant
2.3.3. Localisation et sélection des pratiques de gestion optimales
2.3.4. Coûts des pratiques de gestion optimales
2.4. Contrôle en temps réel
2.4.1. Contrôle statique des bassins d’orage
2.4.2. Contrôle dynamique en temps réel
3. Objectifs du projet
4. Méthodologie
4.1. Séries pluviométriques
4.1.1. Série pluviométrique – climat actuel
4.1.2. Série pluviométrique – climat futur
4.2. Présentation des cas d’étude et des niveaux de service de référence
4.2.1. Sherbrooke – Secteur Thibault
4.2.2. Victoriaville – Secteur Centre-Ville
4.2.3. Granby – Secteur Sud-Ouest
4.2.4. Comparaison des cas d’étude
4.3. Localisation, sélection et modélisation des pratiques de gestion optimales
4.3.1. Méthodologie de localisation et de sélection des pratiques de gestion optimales
4.3.2. Modélisation des pratiques de gestion optimales dans SWMM
4.4. Stratégies de contrôle en temps réel
4.4.1. Méthodologie de contrôle en temps réel – Sherbrooke
4.4.2. Méthodologie de contrôle en temps réel – Victoriaville
4.4.3. Méthodologie de contrôle en temps réel – Granby
4.5. Indices de performance
4.5.1. Indices de performance du contrôle en temps réel comme mesure d’adaptation aux changements climatiques
4.5.2. Indices de performance des pratiques de gestions optimales comme mesures d’adaptation aux changements climatiques
5. Résultats
5.1. Sherbrooke
5.1.1. Évaluation des mesures d’adaptation aux changements climatiques
5.1.2. Conclusion partielle : Contrôle en temps réel d’un bassin d’orage en fin de réseau 82
5.2. Victoriaville
5.2.1. Évaluation des mesures d’adaptation aux changements climatiques
5.2.2. Conclusion partielle : Contrôle en temps réel de conduites surdimensionnées en fin de réseau
5.3. Granby
5.3.1. Évaluation des mesures d’adaptation aux changements climatiques
5.3.2. Conclusion partielle : Contrôle en temps réel d’un bassin d’orage situé en amont du centre ville
5.4. Comparaison des méthodologies d’adaptation
6. Conclusion
7. Perspectives
8. Bibliographie
Annexes
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