Le drainage urbain

Le drainage urbain

La quantité d’eau

Des systèmes de drainage ont été développés dans les zones urbaines pour gérer les interactions entre les activités humaines et l’eau. Ces interactions sont de deux types : la première consiste à l’approvisionnement d’eau pour permettre la vie, la seconde est la transformation des sols qui perturbe le cycle naturel de l’eau. Ces interactions causent deux types d’eau qui requièrent un drainage. Le premier type, les eaux usées, se compose des eaux 7 qui ont été fournies pour garantir la vie, maintenir un niveau de vie et satisfaire les besoins de l’industrie ou de la ville. Après utilisation, ces eaux doivent être drainées puis traitées adéquatement afin d’éviter d’altérer l’environnement et de créer des problèmes de santé. Le second type, les eaux de ruissellement, sont la résultante de l’eau de pluie tombant sur les zones construites. Si les eaux de ruissellement ne sont pas drainées, elles causeront des inondations et des risques de pollution. Le drainage urbain gère donc ces deux types d’eaux « sales » afin de minimiser les conséquences pour la vie humaine et son environnement. Dans la plupart des zones urbaines, le drainage est composé d’un système complètement artificiel d’égouts. Les communautés isolées, quant à elles, traitent localement les eaux usées et les eaux de ruissellement sont drainées naturellement dans le sol. Ces principes plus viables sont à présent encouragés dans les systèmes de drainage urbain. Les effets de l’urbanisation sur le drainage sont multiples. Le drainage urbain remplace une partie du cycle naturel de l’eau. Dans la nature, lorsque l’eau de pluie tombe sur une surface naturelle, une partie de cette eau retourne à l’atmosphère grâce à l’évaporation, ou par la transpiration des plantes; une autre partie s’infiltre dans le sol et se convertit en eau souterraine; et enfin, une dernière partie ruisselle sur le sol. Les proportions d’eau infiltrée et ruisselée dépendent de la nature de la surface, du délai entre deux pluies, de l’intensité de la pluie, etc. et varient aussi durant une même pluie. L’eau souterraine et le ruissellement se dirigeront vers les cours d’eau avoisinants, mais l’eau de ruissellement sera beaucoup plus rapide dans ses déplacements. Le développement des zones urbaines, impliquant une couverture du sol par des surfaces artificielles, a une grande influence sur les processus mis en jeu. Les surfaces artificielles augmentent la quantité d’eau de ruissellement et donc augmentent le volume total d’eau atteignant la rivière pendant ou très tôt après la pluie, comme le représente la Figure 1.2. Les eaux de ruissellement s’écoulent plus rapidement sur les surfaces compactes et dans le réseau d’égout que sur les surfaces naturelles et le long des ruisseaux. Cela signifie que le débit d’eau arrivera et diminuera d’ampleur plus rapidement, et le débit maximal sera plus important. Le danger de débordement soudain de la rivière est ainsi augmenté. Les conséquences pour la qualité de l’eau sont tout aussi importantes. Le ruissellement rapide des eaux de pluie lessive le sol de ses polluants et ses sédiments et les transporte dans la rivière. Ensuite, dans le cas des systèmes de drainage unitaire, les eaux usées se mélangent aux eaux de pluie ce qui favorise la pollution lors d’événements pluviaux d’importance pouvant provoquer des débordements. Dans les zones urbaines, le problème du ruissellement implique des traitements de l’eau par des stations d’envergure et donc coûteuses (Butler et Davies, 2000). Depuis quelques dizaines d’années, l’approche du drainage urbain est en évolution. La fonction de base du drainage urbain est de collecter et de transporter les eaux usées et les eaux de ruissellement. Dans la plupart des pays urbanisés, il s’agit d’intercepter l’ensemble des eaux usées. Pour les eaux de ruissellement, l’objectif consiste à évacuer l’eau de pluie le plus rapidement possible pour réduire les contraintes pour les activités à la surface, particulièrement pour les routes. La suppression rapide des eaux de pluie a été longtemps vue 9 comme la preuve qu’un système de drainage était efficace (Butler et Davies, 2000). Le premier objectif du drainage est toujours de protéger la population et les biens des eaux de ruissellement, mais une attention nouvelle est portée aux impacts que l’eau drainée peut provoquer sur les cours d’eau récepteurs. Des méthodes plus naturelles pour disposer des eaux de ruissellement sont développées. Elles incluent l’infiltration, la détention et la rétention. L’intention générale est d’inverser le phénomène présenté à la Figure 1.3 : atténuer le pic de débit de l’eau de ruissellement et augmenter le temps d’écoulement jusqu’à l’exutoire.

La qualité d’eau

La dégradation causée par la pollution des eaux de ruissellement est sérieuse, et touche une grande partie de la population. L’imperméabilisation des terres peut provoquer des inondations, l’érosion des cours d’eau, la détérioration de l’habitat et la diminution de la qualité de l’eau. De nombreuses activités (industrie, entretien des pelouses, etc.) recouvrent chaque jour le sol d’éléments pouvant être nocifs. Ces polluants sont alors transportés jusque dans les cours d’eau par les eaux de ruissellement. Ils ont un impact important sur les milieux 10 naturels, mais aussi sur certaines activités commerciales et tertiaires : la pêche, la baignade, etc. La pollution des eaux de ruissellement constitue une préoccupation pour les organismes responsables de l’approvisionnement en eau potable. Ils accordent une attention particulière aux eaux de ruissellement, en particulier aux éléments nutritifs, bactéries et produits chimiques organiques toxiques. L’une des plus importantes conséquences de l’augmentation du volume et du débit des eaux de ruissellement est l’inondation et les dégâts matériels qui en découlent. Klein (1979) a montré qu’en raison de l’augmentation des surfaces imperméables dans un bassin versant, une inondation centenaire pouvait se produire tous les cinq ans si l’imperméabilité augmentait de 25 %, et pourrait se produire tous les ans si les surfaces imperméables augmentaient de 65 %. L’augmentation du volume et du taux de ruissellement des eaux pluviales érode les berges et cours d’eau. Du fait de cette érosion, les cours d’eau reçoivent un apport supplémentaire de sédiments. L’envasement et la sédimentation des ports et cours d’eau sont coûteux pour les communautés. L’augmentation de la température de l’eau constitue aussi une conséquence du ruissellement urbain. L’eau s’écoule rapidement et n’a donc pas le temps de se refroidir au contact du sol. Il a été montré que la température moyenne de l’eau augmentait directement avec le pourcentage d’imperméabilisation d’un bassin versant (Shaver et al., 2007). Ces augmentations de température bouleversent les écosystèmes et entraînent notamment une prolifération des algues. Cela s’ajoute à la pollution transportée par les eaux de ruissellement qui nuit aux écosystèmes aquatiques. Les eaux de ruissellement peuvent aussi transporter des bactéries et virus, ce qui peut rendre la baignade, la pêche et les sports nautiques risqués pour la santé.

Impacts chiffrés (cas de Montréal)

Lors d’événements pluviaux intenses, la quantité d’eau acheminée vers le réseau de drainage dépasse la capacité de ce dernier. Dès lors, des cas de refoulements (ou surverses) peuvent avoir lieu à différents endroits du réseau (Bolduc, 2008). Il existe 74 bassins de drainage sur l’île de Montréal (Garant, 2009). Près du 2/3 de l’île de Montréal, principalement au Centre et à l’Est, est desservi par un réseau d’égouts unitaires. Le drainage du reste de l’Ouest de l’île s’effectue par un réseau séparatif où les eaux pluviales sont captées par un égout pluvial et 11 rejetées directement dans les cours d’eau. Selon le bilan 2008 des ouvrages de surverses du Ministère des Affaires Municipales, des Régions et de l’Occupation du Territoire (MAMROT) pour l’île de Montréal, il y a eu au total 1 205 épisodes de surverses; 907 causés par des pluies, 174 causés par la fonte des neige, 81 provoqués par des situations dites d’urgence (panne, travaux), 35 pour des raisons autres (erreur humaine, obstruction) et 8 par temps sec (Laurin et Moreira, 2009). Dans les années 2000, la Station d’épuration des eaux usées de Montréal traitait entre 98,5 et 99,0 % des eaux usées produites sur son territoire. Entre le 1er mai et le 15 septembre 1998, il y eut 23 déversements en temps de pluie provenant de l’intercepteur sud. Le retour aux conditions prévalant en temps sec nécessite environ trois jours suite aux déversements; ces événements réduisent de 50 % les activités récréatives, soit 3,5 jours par semaine en moyenne (Boulay, Cejka et Levesque, 1999). Le Réseau de Suivi du Milieu Aquatique (RSMA) effectue des relevés tout au long de l’année pour suivre l’évolution de la qualité de l’eau en rive et dans les cours d’eau de l’agglomération de Montréal. Toutefois, il n’existe pas de données sur le volume des eaux débordées. Les données portent uniquement sur le nombre de déversements dans l’année, leur durée et sur la qualité d’eau des rives et des cours d’eau (Deschamps, 2010). Ainsi, il est difficile d’évaluer l’efficacité des mesures prises par la ville de Montréal, et de s’assurer que les fluctuations de la qualité de l’eau ne sont pas dues à d’autres paramètres. Sur l’année 2009, le RSMA conclut à une amélioration de la qualité d’eau en rive et des cours d’eau, mais explique cette augmentation par la faiblesse des précipitations annuelles (Deschamps, Breton et Mallet, 2009). Malgré un certain manque d’information, il apparaît évident, d’après ces quelques chiffres, que le problème des eaux de ruissellement représente une réalité en milieu urbain. Les problèmes de pollution sont réels. Les villes prennent progressivement conscience de la dangerosité de gérer inadéquatement les eaux pluviales. De plus, les réseaux de drainage sont moins adaptés aux conditions actuelles, du fait des changements climatiques et des modifications du tissu urbain (Mailhot et al., 2007). Une des solutions pour résoudre ces problèmes est de s’y préoccuper à la source, afin de réduire le plus tôt possible la quantité 12 d’eau qui ruissèlera. C’est pourquoi il est important de comprendre le processus de formation du ruissellement en milieu urbain.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTERATURE
1.1 Le drainage urbain
1.1.1 Le cycle de l’eau
1.1.2 Impacts de l’urbanisation
1.2 La gestion intégrée des eaux pluviales ou Low Impact Développement
1.2.1 Présentation de l’approche LID
1.2.2 Ses principes
1.2.3 Les différentes mesures
1.2.4 Des stratégies d’aménagements
1.2.5 La problématique des arbres
1.3 La modélisation d’un réseau de drainage urbain
1.3.1 Méthodes manuelles
1.3.2 Modèles informatiques
1.3.3 Présentation des modèles les plus courants
1.4 Modélisation des quartiers
1.4.1 Modélisation d’un quartier de Laval
1.4.2 SWMM et l’évapotranspiration
1.4.3 Réponse des infrastructures LID aux averses
1.4.4 L’Élément Hydrologique Urbain (EHU)
1.4.5 Synthèse
1.5 L’utilisation de SWMM pour modéliser des aménagements de gestion intégrée des
eaux de pluie
1.5.1 Hydrologie
1.5.2 Hydraulique
CHAPITRE 2 MATÉRIEL ET MÉTHODES
2.1 Sélection du modèle SWMM
2.2 Modélisation du quartier de référence
2.2.1 Bassins versants
2.2.2 Pluies utilisées
2.2.3 Infiltration
2.2.4 Aspect hydraulique
2.3 Procédure de modélisation des éléments LID
2.3.1 Méthodes de modélisation considérées et testées (toits verts)
2.3.2 Méthodes de modélisation considérées et testées (arbres)
CHAPITRE 3 RÉSULTATS
3.1 Modélisation des infrastructures LID
3.1.1 Résultats comparatifs (toits verts)
3.1.2 Résultats comparatifs (arbres)
3.1.3 Pavés poreux
3.1.4 Fossés
3.2 Scénarios
3.2.1 Toits verts
3.2.2 Arbres
3.2.3 Pavés poreux
3.2.4 Fossés
3.2.5 Descriptif des scénarios
3.3 Analyse par pluies
3.3.1 Pluie de 12 mm
3.3.2 Pluie de 24 mm
3.3.3 Pluie Verdun 1 (32mm)
3.3.4 Pluie Verdun 2 (21 mm + 11 mm)
3.4 Analyse des scénarios
3.4.1 Résultats bruts
3.4.2 Rendement
3.5 Comparaison des infrastructures LID
3.6 Modification des toits verts avec le scénario 5
3.7 Interprétation et synthèse
3.7.1 Le problème du rendement
3.7.2 L’aspect temporel
3.7.3 La saturation
3.7.4 La modification du toit vert.
3.7.5 Un scénario plus adapté
CHAPITRE 4 DISCUSSION
4.1 Les méthodes de simulation
4.2 L’arbre
4.3 La simulation continue
4.4 La question de la végétation
4.5 La question d’échelle
4.6 La question de l’évaluation de la performance
4.7 Impact sur les débordements
CONCLUSION
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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