Soutenance mémoire
LA GESTION DES EAUX PLUVIALES
Pratiques de gestion optimales (PGO)
Dans le domaine du drainage urbain, les pratiques de gestion optimales sont des techniques qui consistent à retarder ou infiltrer les eaux de ruissellement pour atténuer les impacts environnementaux sur le milieu récepteur et réduire l’ampleur des inondations. Ces pratiques de gestion optimales peuvent être structurales ou non structurales. Elles peuvent être appliquées à la source, sur les terrains privés ou publics ou dans le réseau.
Chaine de traitement
Il existe plusieurs types de classification pour les différentes PGO. L’approche qui consiste à utiliser une PGO à niveaux multiples (UDFCD 1992; InfraGuide 2003; Fuamba, Walliser et al. 2010), fondée sur le concept de la chaîne de traitement est la plus efficace. Selon cette approche, les gestions quantitative et qualitative des eaux de ruissellement s’appuient sur un ensemble de pratiques qui peuvent être appliquées l’une à la suite de l’autre. En règle générale, plus on éloigne le traitement de la source de pollution, moins les mesures sont rentables. Il est habituellement plus rentable de prévenir la pollution en adoptant de bonnes pratiques de maintenance, ou en luttant contre la pollution à la source ou à proximité de celle-ci, que de traiter les eaux de ruissellement au moyen de PGO à la sortie de l’émissaire. Comme l’indique la figure ci-haut, les différentes PGO peuvent être aménagées sur des terrains privés ou des terrains publics. Cette option peut avoir un impact important sur l’entretien qui pourra être assuré et, éventuellement, sur l’efficacité des PGO. Ce point devient particulièrement important à considérer pour des éléments de gestion qui sont mis en place sur des terrains privés (MDDEP 2011).
Aspects généraux de conception
Prétraitement
La mise en place de mesures de prétraitement en amont des PGO offre de nombreux avantages même si elle est souvent négligée. En effet, le prétraitement permet non seulement la réduction des besoins et des activités de maintenance et d’entretien, mais il contribue considérablement à l’augmentation de la longévité des différents ouvrages (MDDEP 2011).
Un prétraitement est souvent suggéré si le niveau de qualité des eaux pluviales est tel qu’il risque de causer l’obstruction du réseau ou la détérioration de la nappe souterraine (Ayadi 2010). Plusieurs types d’ouvrages peuvent être utilisés pour assurer un prétraitement efficace.
Ils peuvent s’utiliser seuls ou en combinaison pour créer une synergie entre les différents types de traitement. En particulier pour des PGO dont l’un des mécanismes essentiels est l’infiltration, il deviendra obligatoire de prévoir des ouvrages de prétraitement.
Structure d’entrée et de sortie
Toutes les PGO ont une structure d’entrée et une structure de sortie combinées souvent avec une structure de contrôle pour permettre la limitation des débits de rejet.
Il est important d’envisager, autant pour l’entrée que pour la sortie, la protection contre les débris et le colmatage possible des ouvrages. Des grilles peuvent être utilisées mais elles nécessitent un suivi adéquat et un nettoyage régulier pour éviter tout problème susceptible de nuire au fonctionnement de l’ouvrage. Les principales raisons pour utiliser une grille sont (MDDEP 2011) :
• à l’entrée, pour limiter l’arrivée de débris qui devraient alors être récupérés dans le bassin ;
• à la sortie, pour empêcher que des débris viennent bloquer la conduite de sortie ;
• pour prévenir un accès non autorisé et potentiellement dangereux aux conduites d’entrée et de sortie.
Adaptation au climat froid
Avant de mettre en place une PGO, il faut prendre en considération plusieurs éléments qui peuvent aider à adapter la pratique au climat froid. Une étude menée par (Caraco and Claytor 1997) a démontré que les points suivants doivent avoir une attention particulière des concepteurs :
• un surdimensionnement de l’ouvrage de stockage pour tenir compte des effets de la glace et d’une fonte des neiges prolongée avec la pluie ;
• un dimensionnement et un positionnement adéquats des ouvrages d’entrée et de sortie pour éviter l’obstruction ou l’endommagement par la glace ;
• une vidange partielle des bassins au printemps pour éviter des débits hautement chargés en chlorures et autres contaminants ;
• la pente et le diamètre des conduites à l’entrée comme à la sortie doivent au moins être égaux à 1 % et 450 mm respectivement ;
• les entrées submergées ou partiellement submergées devraient être évitées autant que possible.
Contrôle à la source
Le contrôle à la source avec des approches non structurales est un moyen économique qui peut considérablement réduire les impacts des eaux de ruissellement urbain (InfraGuide 2003; MDDEP 2011). D’une manière générale, ce contrôle est basé sur trois composantes principales (ASCE/WEF 1998) :
• minimiser des impacts négatifs lors de la planification, la conception et la construction des sites ;
• entretenir adéquatement les surfaces imperméables et perméables afin de minimiser l’exposition et la relâche de polluants ;
• éduquer et former les citoyens pour promouvoir une prise de conscience des problèmes potentiels associés au ruissellement urbain et des PGO disponibles pour aider à résoudre ou minimiser ces problèmes.
Parmi les différentes pratiques qui peuvent s’effectuer à la source (InfraGuide 2003) :
• programme d’éducation du public;
• planification de l’aménagement du territoire;
• règlements relatifs aux égouts;
• pratiques de maintenance;
• contrôle des chantiers de construction.
Coûts de construction et d’opération
Coûts d’acquisition des terrains
Le coût d’acquisition du terrain dépend principalement de la nature de la PGO. À titre d’exemple, un filtre à sable placé en dessous d’un parc de stationnement ne nécessite aucune superficie alors qu’un marrais artificiel conçu pour traiter le même volume de ruissellement exigerait une importante superficie supplémentaire. Le coût dépend aussi de l’emplacement du terrain. Plus on s’éloigne des zones urbaines, plus le coût d’acquisition devient favorable (Weiss, Gulliver et al. 2005).
Compte tenu de la variabilité des coûts des terrains et la variété PGO qui pourraient être utilisées, l’évaluation du coût se fait selon le cas.
Coût de construction
Le coût de construction inclut généralement l’excavation de masse, les remblais et déblais, le nivellement, les structures, les coûts de matériaux ainsi que les contrôles à mettre en place lors de la construction pour l’érosion et la sédimentation (MDDEP 2011). Les coûts unitaires relatifs à chaque élément dépendent de la PGO et de la main d’œuvre locale.
Coût d’entretien
Les coûts d’exploitation et d’entretien durant la durée de vie des ouvrages peuvent avoir un impact important sur le choix des PGO. En général, le coût annuel de l’entretien est exprimé en pourcentage du coût de construction. Ce pourcentage peut, pour certains types de PGO, atteindre 180 % (Weiss, Gulliver et al. 2005).
Programme d’optimisation intégrant les PGO
Plusieurs villes à travers le monde ont déjà implanté le principe des PGO pour contrer l’impact de l’urbanisation sur les inondations et la pollution du milieu récepteur.(Villarreal,Semadeni-Davies et al. 2004). Nous pouvons citer à titre d’exemple le cas de la banlieue de Malmö en suède où l’instauration d’un ensemble de PGO s’est avérée très efficace pour contrer les problèmes d’inondation et de pollution (Villarreal, Semadeni-Davies et al. 2004).
Le choix, les dimensions et l’emplacement des techniques retenues se sont basés sur le coût, la disponibilité des terrains, la sécurité et les attentes du public. Toutefois, aucune méthodologie n’a été utilisée pour déterminer le choix optimal selon les contraintes énumérées.
La gestion en temps réel des réseaux
La gestion en temps réel des réseaux d’assainissement est de plus en plus privilégiée pour diminuer l’ampleur des inondations et réduire l’impact sur le milieu naturel. Cette gestion dynamique vise à suivre, analyser et contrôler le fonctionnement du système avec un faible décalage dans le temps, afin d’intervenir sur son fonctionnement par des actions correctives ou préventives (Chocat 1997). Ces actions consistent à télécommander les ouvrages de contrôle du réseau d’assainissement (vannes, pompes,…) dans le but de minimiser les rejets des surplus des eaux usées, vers les cours d’eau en temps de pluie. Les stratégies de gestion peuvent varier d’un contrôle statique local de régulateurs à capacité fixe, à l’utilisation d’un système de contrôle prédictif intégré extrêmement complexe (Dion and Bennis 2010). Un système de gestion basé sur le contrôle prédictif intégré contient plusieurs tâches telles : l’acquisition et la transmission des données, la validation de l’information, la prévision et l’optimisation des consignes. La maîtrise d’un tel système de gestion exige donc une approche basée sur la technologie de l’information, la métrologie et la recherche opérationnelle. Deux pré-requis sont essentiels pour ce système de gestion. Il faut d’une part disposer d’alternatives de gestion sous forme de capacité de stockage, de dérivation, de délestage ou de filière de traitement et d’autre part disposer d’un délai d’intervention suffisant pour autoriser une prise de décision en temps réel (Chocat 1997). L’utilisation d’un modèle simplifié de simulation hydrologique et hydraulique est alors indiquée pour minimiser le temps de calcul (Temimi 2002).
La gestion en temps différé des réseaux
La gestion en temps différé d’un réseau consiste à analyser sa performance sur une période passée et de programmer les interventions futures. Toutes les actions de collecte d’informations, d’auscultation, de réhabilitation et d’entretien courant entrent aussi dans le cadre de la gestion en temps réel. Dans le cadre de notre mémoire, nous sommes principalement concernés par l’optimisation des interventions de réhabilitation hydraulique d’un réseau de drainage urbain. Cette optimisation passe par la définition et l’évaluation de plusieurs critères qui renvoient à des objectifs multiples et variés (réduire des risques, améliorer le service rendu, préserver l’environnement, réduire les coûts, etc.). La prise en compte explicite de plusieurs critères introduit une difficulté qui n’existe pas dans le cas du critère unique : dans la plupart des cas, les critères se trouvent en conflit et il n’existe pas une solution unique qui s’impose d’elle-même et l’élaboration d’une prescription unique devient plus complexe (Bengassem 2001; Ibrahim 2008). L’apparition et l’utilisation depuis quelques décennies de méthodes d’analyse multicritère pour l’étude de systèmes complexes ont intéressé les différents corps concernés par la gestion des réseaux (Bengassem 2001).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 PROBLÉMATIQUES DE TERRAIN ET DE RECHERCHE
1.1 Problématique
1.2 Objectifs
CHAPITRE 2 ÉTAT DE L’ART DANS LA GESTION DES EAUX PLUVIALES
2.1 Impacts du développement
2.1.1 Aspect quantitatif
2.1.2 Aspect qualitatif
2.1.3 Impacts sur la morphologie des cours d’eau
2.2 Pratiques de gestion optimales (PGO)
2.2.1 Définition
2.2.2 Chaine de traitement
2.2.3 Aspects généraux de conception
2.2.3.1 Prétraitement
2.2.3.2 Structure d’entrée et de sortie
2.2.3.3 Adaptation au climat froid
2.2.4 Contrôle à la source
2.2.5 Pratiques optimales au niveau du terrain
2.2.5.1 Réduction de la pente du terrain
2.2.5.2 Stockages sur le toit, en surface ou souterrain
2.2.5.3 Puits d’infiltration sur le terrain
2.2.5.4 Débranchement des gouttières
2.2.5.5 Réutilisation de l’eau de pluie
2.2.5.6 Bande de végétation filtrante
2.2.5.7 Biorétention ou Jardin de pluie
2.2.5.8 Toits verts
2.2.5.9 Blocs ou revêtements perméables
2.2.5.10 Séparateurs d’huiles et de sédiments
2.2.6 Pratiques de gestion optimales pour le transport des eaux pluviales
2.2.6.1 Fossé et noue engazonnés (sec)
2.2.6.2 Noue avec retenue permanente
2.2.6.3 Noue avec biorétention
2.2.6.4 Système de conduites perforées
2.2.6.5 Bassin de rétention sans retenue permanente (sec)
2.2.6.6 Bassin de rétention avec retenue permanente
2.2.6.7 Bassin d’infiltration
2.2.6.8 Marais artificiels
2.2.6.9 Filtre à sable
2.3 Coûts de construction et d’opération
2.3.1 Coûts d’acquisition des terrains
2.3.2 Coût de construction
2.3.3 Coût d’entretien
2.3.4 Programme d’optimisation intégrant les PGO
2.4 La gestion en temps réel des réseaux
2.5 La gestion en temps différé des réseaux
CHAPITRE 3 ÉLABORATION DU PROGRAMME D’OPTIMISATION
3.1 Rappel de la problématique et des objectifs
3.2 Fonction objectif
3.3 Contraintes du modèle
3.3.1 Contrainte sur les débits
3.3.2 Contrainte sur les diamètres
3.3.3 Contrainte sur les volumes de rétention
3.4 Programme d’optimisation
3.5 Simplification du programme
CHAPITRE 4 MÉTHODE DE RÉSOLUTION
4.1 Méthodes d’optimisation
4.2 Programmation linéaire
4.2.1 Définitions
4.2.2 Algorithme du simplexe
4.3 Programmation linéaire en variables entières
4.3.1 Présentation de l’algorithme « Branch and Bound »
4.3.2 Adaptation à un programme linéaire en variables mixtes
4.3.3 Logiciel de résolution
CHAPITRE 5 MISE EN ŒUVRE DU PROGRAMME D’OPTIMISATION
5.1 Indice de performance hydraulique
5.2 Coûts
5.2.1 Coûts unitaires associés à la construction des bassins de rétention
5.2.2 Coûts unitaires associés à l’amélioration des conditions d’écoulement dans les conduites
5.2.3 Coûts unitaires associés aux changements de conduites
5.3 Présentation générale des applications
5.4 Applications
5.4.1 Réseau synthétique
5.4.1.1 Scénario 1 : Rétention sans borne supérieure
5.4.1.2 Scénario 2 : Limitation du débit post développement à l’exutoire
5.4.1.3 Scénario 3 : Limitation du débit post développement issu de chaque sous-bassin
5.4.1.4 Scénario 4 : Rétention avec borne supérieure
5.4.1.5 Conclusion
5.4.2 Cas du réseau de Verdun
5.4.2.1 Rétention en surface
5.4.2.2 Bassins ou conduites souterraines et rétention sur des toits plats
5.4.2.3 Conclusion
CONCLUSION
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