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Développement et validation d'une approche de remplacement des conduites pour les réseaux d'eau potable.

Dridi, Leïla (2005). Développement et validation d'une approche de remplacement des conduites pour les réseaux d'eau potable. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 347 p.

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Résumé

Lorsque les réseaux de distribution d'eau potable vieillissent, le nombre de bris augmente, la capacité hydraulique diminue et la qualité de l'eau transportée risque de se dégrader. Afin d'assurer un service de qualité aux abonnés, les réseaux de distribution doivent être maintenus dans un état satisfaisant. Les gestionnaires des réseaux doivent disposer d'outils leur permettant de planifier la réhabilitation et/ou le remplacement des conduites de leur réseau, afin d'assurer la sécurité des abonnés. L'objectif de cette étude est de développer un prototype pour la planification des interventions pour un réseau de distribution en eau puis de tester ce modèle sur des réseaux de plus d'une centaine de conduites (100 et 250 conduites). Ce modèle doit tenir compte à la fois de la détérioration de la capacité hydraulique et de l'intégrité structurale de la conduite. Ce modèle est testé sur de petites périodes de cinq ans (appelées phases) afin d'identifier l'ensemble des conduites à remplacer, lesquelles sont combinées sur une longue période, ce qui permet d'inclure le maximum d'informations et d'actualiser l'information sur l'état du réseau, à chaque fois que de nouvelles informations apparaissent. Pour modéliser l'évolution du nombre de bris, un modèle de bris probabiliste est intégré. Ce modèle considère les intervalles de temps entre les différents bris de conduites comme des variables aléatoires, décrites par des fonctions de densité de probabilité. Pour tester le modèle développé, le modèle de bris Weibull-Exponentiel est supposé. Ce modèle combine la distribution Weibull et les distributions exponentielles. La distribution Weibull est utilisée pour modéliser les temps du premier bris et les distributions exponentielles sont utilisées pour modéliser les temps des bris d'ordre supérieur ou égal à deux. Une approche basée essentiellement sur l'inférence bayésienne est développée pour estimer les paramètres du modèle de bris. Une fois que cette approche a été vérifiée, elle a été intégrée au modèle de planification des interventions afin de tester la stratégie proposée à long terme. Un processus de mise à jour de l'information a aussi été intégré au modèle afin de tenir compte de toutes les modifications apportées au réseau à la fin de chaque phase. La fonction coût regroupe les coûts de remplacement des conduites et de réparation des bris. Les contraintes hydrauliques sont la conservation de la masse, la conservation de l'énergie et la contrainte de pression minimale. Afin d'identifier, à chaque phase, l'ensemble des conduites à remplacer et les temps optimaux de remplacement, le problème d'optimisation est abordé en premier comme un problème monoobjectif avec contraintes à satisfaire. Un algorithme génétique (AG) générationnel est utilisé pour minimiser la fonction coût total du réseau sous la contrainte de pression minimale. Ensuite, une approche d'optimisation multiobjectif est considérée, la contrainte de pression minimale étant alors posée comme un second objectif. Un ensemble de solutions Pareto optimales est déterminé à chaque phase. Cette seconde approche nous a permis de tester différentes stratégies d'intervention, d'évaluer l'impact des décisions d'intervention, et de démontrer la supériorité de la méthode d'optimisation multiobjectif basée sur l'algorithme NSGA-II.

Abstract

When the water distribution networks age, the number of breaks increases, the hydraulic capacity decreases, and the quality of transported water is likely to be degraded. In order to ensure quality service to the subscribers, water distribution networks must be adequately monitored and maintained. The networks managers need to have tools allowing them to rehabilitate and/or to replace the pipes of their network, in order to ensure the subscribers' safety. The objective of this study is to develop an intervention planning prototype for a water distribution network and to test this model with networks of more than one hundred pipes (100 and 250). This model must take into account the deterioration of the hydraulic capacity and structural integrity of the pipe simultaneously. This model was tested over a small period of five years (phase) to identify the set of pipes to be replaced, and over a long period of time to allow the inclusion of a maximum amount of information, and to update the information on the state of the network as soon as new information becomes available. To model the break number evolution, a probabilistic break model was integrated. This model considers the time intervals between different pipe breaks as random variables described by probability density functions. To test the developed model, the Weibull-Exponential break model was assumed. This model combines Weibull and exponential distributions. The Weibull distribution was used to model time intervals of the first break, and the exponential distributions were used to model time intervals from the second break. An approach based primarily on bayesian inference was developed to estimate the parameters of the break model. Once this approach was checked, it was integrated into the intervention planning model, in order to test the long-term suggested strategy. An information update process was also integrated into the model to take into account ail the modifications made to the network at the end of each phase. The objective function used contains the repair and replacement costs. The hydraulic constraints included were: conservation of mass, conservation of energy and the constraint of minimal pressure. In order to identify, at each phase, the set of the pipes to be replaced and the optimal time of replacement, the problem of optimization was tackled at first as a monoobjective problem with constraints to satisfy. A generational genetic algorithm (GA) was used to minimize the total cost function of the network to minimal pressure constraint. Then a multiobjective optimization approach was considered where the minimal pressure constraint was introduced as a second objective. A set of optimal Pareto solutions was given at each phase. This second approach enabled us to test different intervention strategies, evaluate the impact of the intervention decisions, and show the superiority of the multiobjective optimization method based on NSGA-II algorithm.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Villeneuve, Jean-Pierre
Co-directeurs de mémoire/thèse: Mailhot, Alain; Parizeau, Marc
Mots-clés libres: réseaux d'eau potable; remplacement des conduites; hydraulique; bris d'aqueduc; réhabilitation
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 08 nov. 2012 19:30
Dernière modification: 17 nov. 2015 19:07
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/403

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