Réseau d’assainissement

Modélisation du débit

MÉTHODOLOGIE

Ce projet de recherche est issu d’un projet d’ingénierie avec la firme de génie conseil BPRCSO. Les particularités de ce projet sont décrites à la section suivante pour distinguer le projet d’ingénierie de la recherche de ce mémoire. L’enjeu des débordements de réseaux unitaires dans un milieu récepteur peut être étudié sous différents angles. Cependant, il reste que quantifier l’impact sur la qualité des eaux à des fins récréatives ou encore pour l’approvisionnement en eau potable dans une municipalité devient une priorité afin de trouver les solutions appropriées. Il faut néanmoins être en mesure de bien chiffrer l’ampleur du problème en évaluant les causes et la fréquence des évènements. La démarche de cette étude veille donc à quantifier le volume d’eau débordé à l’aide de différentes méthodes. Afin de répondre à l’objectif de cette recherche, une méthodologie détaillée a été formulée en trois étapes. La première étape consiste à établir et valider l’échantillon de mesure selon différents critères. La deuxième étape vise à définir les méthodes de calculs qui peuvent être utilisées en utilisant les données mesurées pour quantifier les volumes débordés. Finalement, la troisième étape comprend l’évaluation de la corrélation entre les débordements mesurés à l’aide d’un instrument pouvant lire le débit et les deux méthodes de calculs décrites plus haut à l’aide d’indicateurs statistiques. La méthodologie proposée veille à faire la lumière sur le degré d’incertitude associé aux mesures conventionnelles en comparaison à des techniques de calcul dérivé.

Projet d’ingénierie

Le projet d’ingénierie consistait à instrumenter 15 émissaires de débordement avec différents instruments de mesure, soit des débitmètres, limnimètres et inclinomètres pour une ville prise avec des problèmes de suivi de ses DEU. La modélisation du réseau ainsi que la validation  des données ont été exécutées dans le cadre du projet d’ingénierie. Ces activités ont donc été réalisées au préalable des analyses sur lesquelles se concentre la recherche de ce mémoire. La constitution de l’échantillon, le calcul des volumes débordés avec l’équation de Bernoulli ainsi que toutes les analyses comparatives sont la contribution exclusive de ce mémoire.

Détection d’un évènement de débordement

Pour faire la détection d’un débordement et rapporter la durée et le volume du DEU, plusieurs instruments ont été installés dans un émissaire de débordement. La Figure 2.1 présente la localisation générale de chaque instrument dans l’émissaire de débordement. Figure 2.1 Emplacement des instruments dans un émissaire de débordement Pour ce projet, la capacité d’interception est considérée constante. En réalité, l’interception peut se faire de deux façons, soit de façon gravitaire ou encore de façon à être acheminée par des pompes. Dans les deux cas, lorsque le niveau d’eau s’élève en amont de l’interception, la capacité d’interception elle aussi augmente (Tullis, Young et Chandler, 2007). Aux fins de cette recherche, les deux techniques de détection utilisées sont lorsque le niveau amont est supérieur au niveau aval et/ou de celui du déversoir et lorsque l’inclinomètre lit une ouverture du clapet.

Description de l’échantillon

L’échantillon est constitué de données provenant de 6 sites équipés d’un débitmètre, de deux limnimètres et d’un inclinomètre. Les données ont été prélevées entre le mois de mars et la fin du mois d’octobre pour une période de 7 mois. La sélection de 12 évènements de pluie est faite de façon à choisir les pluies ayant causé des débordements aux sites et qui respectent les critères d’homogénéité spatiale, différentes intensités, durée et niveau de saturation du sol. Pour chaque évènement de pluie, les données mesurées aux sites servent d’intrant pour calculer les débits simulés et ceux déterminés avec la relation ouverture du clapet et hauteur d’eau. Les deux méthodes de calculs sont décrites à la prochaine section.

Il y a plusieurs types de données mesurées, notamment : 1. Donnée pluviométrique (mm tombés aux 5min) — 3 pluviomètres sur la région 2. Limnimètres (niveau d’eau (m)/5min) 3. Débitmètre (débit en m3 /s par 5 min) 4. Inclinomètre (degré d’ouverture du clapet (°) à chaque 5 min).

Validation des données

Une fois l’échantillon établi, une validation des données a été effectuée. Cette validation consiste à séparer les données de mesure erronées de l’échantillon à l’étude. Pour chaque type de mesure, des critères rigoureux ont été définis afin de ne conserver que des évènements de débordement où toutes les données sont de bonne qualité. La définition ici d’une donnée de bonne qualité signifie qu’elle est considérée comme étant la valeur de référence. Les données erronées sont de deux types, soit les données transmises non validées par l’instrument et les données transmises invalidées par l’instrument. Dans le deuxième cas, ces données sont faciles à discriminer, tandis que dans le premier cas, il faut faire certains tests sur ces données pour juger de leur qualité.

Données pluviométriques

Les principaux critères d’évaluation d’une valeur pluviométrique reposent sur deux vérifications, soit la redondance de la donnée avec les autres pluviomètres et la présence de valeur extrême impossible en réalité. Dans le premier cas, une analyse statistique des données permet de mieux écrire l’évènement et établir s’il y a eu un décalage dans la transmission ou s’il y a une interruption de transmission pour un pluviomètre. Pour générer une donnée manquante, la moyenne des deux autres pluviomètres est utilisée pour la période manquante. Par contre, si les données de plus de deux pluviomètres sont manquantes, l’évènement de pluie n’est pas retenu dans l’échantillon.  La deuxième évaluation consiste à repérer des valeurs d’intensité ou de millimètre d’eau tombée qui sont impossibles. Par exemple une intensité de 1000mm/hr ou encore une valeur à un pas de temps précis qui diffère entièrement des autres valeurs de la série temporelle.

Données mesurées de débit

Les instruments qui sont utilisés pour mesurer le débit sont de type radar Doppler pulsé. Pour valider les données de débit, trois évaluations sont effectuées, c’est-à-dire la calibration des instruments, la relation vitesse-hauteur et la présence de données en continu, sans interruption. Pour évaluer la calibration de l’instrument, il faut faire une analyse hydraulique de l’endroit où se situe l’instrument. Les éléments importants à connaître sont le diamètre, la forme, le niveau géodésique, la capacité et la pente de la conduite ainsi que les paramètres programmés dans l’instrument. C’est avec toutes ces informations que les données de débit mesurées peuvent être validées pour chaque site. Pour évaluer la relation vitesse-hauteur d’un débit, un graphique représentant les vitesses mesurées en fonction des hauteurs d’eau est utilisé pour confirmer la bonne lecture de l’appareil, pour chaque évènement de pluie. Un instrument qui produit le même graphique de vitesse/hauteur pour chaque évènement est une indication de constance et de cohérence à travers le temps. Inversement, si la vitesse est constante ou la vitesse erratique pour la même hauteur, ceci peut être une indication de mauvaise lecture de l’appareil. Cette représentation doit normalement suivre l’équation théorique de Manning pour l’écoulement en surface libre (Akgiray, 2005).

Niveau d’eau

Les données mesurées de niveau sont prises en amont et en aval de l’interception. La mesure de niveau se situe prêt du déversoir. Sans condition aval, lorsque le niveau amont atteint et dépasse le niveau du seuil, il y a un débordement d’égout unitaire. La mesure de niveau en aval est située dans l’émissaire de débordement. Cette valeur est habituellement corrélée avec celle du niveau du plan d’eau à cet endroit. Lors d’un évènement de débordement, l’hydrogramme du niveau d’eau dans l’émissaire prend la forme d’une vague, car l’émissaire est un espace restreint où l’écoulement peut être observé. Par conséquent, il faut faire un traitement sur la donnée de niveau pour enlever l’effet de vague et ne conserver que le niveau d’eau constant. Ce niveau doit être en début d’évènement pour obtenir le gradient hydraulique réel de l’écoulement à travers le clapet.

Table des matières

INTRODUCTION 
CHAPITRE 1 ÉTAT DES CONNAISSANCES 
1.1 Réseau d’assainissement
1.1.1 Type de réseau
1.1.2 Déversement de réseau unitaire
1.1.3 Contexte des villes aujourd’hui
1.1.4 Problématique des rejets
1.1.5 Contexte législatif de suivi des DEU
1.2 Instrument de mesure
1.2.1 Limnimètres
1.2.2 Débitmètres
1.2.3 Inclinomètre
1.3 Modélisation du débit
1.3.1 Modèle hydraulique et hydrologique
1.3.2 Calcul du débit avec inclinaison clapet et gradient hydraulique
1.4 Précision, erreurs et incertitudes
1.4.1 Données mesurées
1.4.2 Données simulées ou calculées
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE 
2.1 Projet d’ingénierie
2.2 Détection d’un évènement de débordement
2.3 Description de l’échantillon
2.3.1 Validation des données
2.3.2 Données pluviométriques
2.3.3 Données mesurées de débit
2.3.4 Niveau d’eau
2.3.5 Ouverture du clapet
2.4 Calculs des volumes débordés
2.4.1 Débit mesuré et capacité d’interception
2.4.2 Modèle hydraulique
2.4.3 Calcul du débit avec ouverture de clapet et niveau en aval
2.5 Comparaison des données mesurées et simulées
2.5.1 Critère de Nash-Sutcliffe
2.5.2 Coefficient de détermination
2.5.3 Index de corrélation (Index of Agreement)
2.5.4 Écart type
2.5.5 Intervalle de confiance
2.5.6 Technique graphique
2.6 Analyse de sensibilité des variables
CHAPITRE 3 PRÉSENTATION ET INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS  
3.1 Objectifs et présentation des données
3.2 Résultats volumes simulés
3.2.1 Erreur moyenne
3.2.2 Résultats indicateurs statistiques
3.2.3 Constats principaux
3.3 Calculs volume débordés avec clapet et niveau
3.3.1 Relation inclinaison et gradient hydraulique
3.3.2 Évaluation débit avec 1 variable : ouverture clapet
3.3.3 Évaluation débit avec 2 variables : ouverture clapet et gradient hydraulique
3.3.4 Comparaison résultats une variable et deux variables
3.3.5 Commentaires
CHAPITRE 4 DISCUSSION 
4.1 Comparaison des volumes simulés et calculés
4.1.1 Indicateurs statistiques
4.1.2 Influence niveau aval (Z/D)
4.2 Commentaires sur l’état des connaissances
4.2.1 Instruments de mesure
4.2.2 Évaluation de la corrélation
4.3 Considérations du cycle de vie des méthodes
4.3.1 Utilisation d’instruments de mesure
4.3.2 Modèle hydraulique
4.3.3 Constat général de l’évaluation du CCV
4.4 Limites des méthodes
4.4.1 Débits mesurés sur le terrain
4.4.2 Débits calculés avec inclinaison clapet et gradient hydraulique
4.4.3 Débits simulés avec modèle hydraulique
CONCLUSION 
ANNEXE I DÉVELOPPEMENT DU MODÈLE
ANNEXE II FIGURES ET TABLEAUX DE RÉSULTATS DU CHAPITRE 3
ANNEXE III FIGURES POUR DISCUSSION CHAPITRE 4
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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