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Planification intégrée du renouvellement des réseaux de drainage urbain considérant les aspects structural et hydraulique dans un contexte de changement climatique.

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El Housni, Hind (2019). Planification intégrée du renouvellement des réseaux de drainage urbain considérant les aspects structural et hydraulique dans un contexte de changement climatique. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 229 p.

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Résumé

Une mauvaise performance des réseaux d’égout peut entraîner des problèmes pouvant mettre en péril la sécurité des citoyens, la qualité des écosystèmes et le développement économique. Ces problèmes peuvent être liés à : i) la détérioration de la performance structurale des conduites, tels que les effondrements de chaussée, ii) une baisse de la performance hydraulique, comme des refoulements d’égout ou des inondations, et/ou iii) aux deux en même temps. La majorité de ces problèmes risquent de s’accentuer compte tenu du vieillissement des composantes souterraines des réseaux et en raison de l’évolution des conditions climatiques, en particulier l’augmentation de l’intensité et/ou de la fréquence des événements de pluie intenses, prévue par les modèles climatiques. Une stratégie de renouvellement des réseaux basée sur une approche préventive, considérant simultanément les performances hydraulique et structurale des conduites et intégrant des pratiques permettant de mieux s’adapter aux changements climatiques (CC) projetés, pourrait limiter les problèmes cités précédemment et permettre de maintenir un niveau de performance acceptable à des coûts plus économiques. Sur la base de cette hypothèse et dans l’objectif de la vérifier, une méthode de planification intégrée des interventions de renouvellement des réseaux d’égout est proposée dans le cadre de ce projet de doctorat. Cette méthode se base sur la modélisation simultanée des performances structurale et hydraulique individuelles des conduites dans les conditions climatiques actuelles et futures en considérant un climat non stationnaire. Cette dernière vise à identifier et à planifier les meilleures options de renouvellement permettant de remettre à niveau les deux types de performance (structurale et hydraulique) au moindre coût possible. Dans cette méthode, diverses options d’adaptation aux CC sont considérées, soit le remplacement de conduites par des conduites de plus grande capacité hydraulique et l’adoption de mesures de contrôle à la source des eaux pluviales. Pour modéliser la détérioration structurale des conduites d’égout, une méthodologie d’identification des facteurs d’impact (p.ex. âge, diamètre, etc.) significatifs est proposée. Cette méthodologie est basée sur le test du ratio de vraisemblance et le modèle de Cox, qui permet d’estimer la probabilité qu’une conduite soit dans un état structural donné en un temps donné en fonction de plusieurs variables. Appliquée aux conduites de deux réseaux d’égout québécois, cette méthodologie a démontré que, parmi les facteurs analysés, seul l’âge des conduites a un impact significatif sur la modélisation de la détérioration structurale de celles-ci. Pour les conduites des réseaux évalués, l’ajout d’autres facteurs ne permet pas d’améliorer la prévision de leur état structural dans le temps. La modélisation de la performance hydraulique est, quant à elle, basée sur des simulations hydrologiques/hydrauliques utilisant le modèle SWMM et des événements réels de récurrences allant de 2 à 5 ans. Pour cette partie, une seconde méthodologie est proposée pour : i) identifier les conduites hydrauliquement contraignantes et leur capacité hydraulique adéquate; et/ou ii) l’emplacement et la superficie nécessaire de pratiques de contrôle à la source (PCS) permettant d’éliminer les dysfonctionnements hydrauliques relevés dans un réseau donné. L’évolution de la performance hydraulique dans le temps est simulée en augmentant l'intensité des événements pluvieux d'un facteur issu des prévisions en termes de CC pour la zone d'étude. L’application de cette méthodologie à deux réseaux québécois : A et B, en considérant uniquement le remplacement des conduites, a permis d’identifier les tronçons de conduites ayant une capacité hydraulique actuelle ou future insuffisante. Selon cette méthode, 10 % de la longueur totale des conduites du réseau A est identifié contraignante (de capacité hydraulique insuffisante) à remplacer en conditions actuelles, contre 14 % pour le réseau B. La modélisation de la performance hydraulique incluant les pratiques de contrôle à la source a été appliquée au réseau A et a permis d’identifier les superficies et emplacements de pratiques de contrôle à la source permettant d’éliminer certains dysfonctionnements en conditions climatiques actuelles et futures, qui sont respectivement de 10 601 m² et 12 379 m². Pour les deux réseaux, une augmentation de 15 % de l’intensité de l’événement pluvieux le plus problématique cause une augmentation significative des proportions de dysfonctionnements hydrauliques, de l’ordre de 28 % pour le réseau A et de 115 % pour le réseau B, et, par conséquent, des interventions de renouvellement nécessaires. Cela démontre l’importance de la prise en compte des CC dans la planification du renouvellement des conduites d’égout. La planification intégrée du renouvellement des conduites a été appliquée au réseau A, pour qui la modélisation des deux performances structurale et hydraulique des conduites, compte tenu des CC, a été réalisée. Cette planification a permis de mieux choisir les options de renouvellement permettant de maintenir des performances structurale et hydraulique adéquates sur au moins 25 ans au moindre coût. Comparée à une approche de renouvellement classique, la planification intégrée offre une économie allant jusqu’à 33 % du budget nécessaire à la remise du réseau A. Ces constats, en particulier concernant le gain économique, viennent confirmer et vérifier l’hypothèse de base du projet de doctorat.

Abstract

A failing performance of sewer network components can result in a multitude of problems, such as roadway collapses, sewer back-ups, floods, and increasing volumes of untreated water discharged to receiving waters. All of these problems may represent a risk for public safety, economic development, and ecosystem quality. Due to climate change, particularly the expected increase in the frequency and/or intensity of intense rainfall events, the deterioration of hydraulic and environmental performances, and their consequences, are likely to further increase. The aforementioned problems could be alleviated by the adoption of a renewal strategy for sewer networks that is based on a preventive approach, including: i) the simultaneous consideration of hydraulic and structural performances of the pipes, and ii) the use of stormwater source control (SSC) practices. This could allow a better adaptation to the projected climate changes (CC) for maintaining at a more economical cost an acceptable level of overall sewer performance. An integrated sewer network renewal planning method is proposed in this thesis to verify this hypothesis. This planning method identifies the best interventions (type and moment of implementation) based on the simultaneous modeling of the structural and hydraulic performances of individual pipes. Two types of adaptations to CC are considered: pipe replacement with a larger hydraulic capacity and SSC practices. The deterioration of the structural performance is modelled with a Cox model, which estimates the probability that a pipe is in a specific structural state at a given time, and depends on several factors or variables (e.g., age and diameter). Only factors which are considered influential on the sewer structural deterioration process, identified with a likelihood ratio test, are included in the model. The application of the structural performance model to two Canadian sewer networks demonstrated that the pipe age is the only influential factor for these two networks. Including the other factors in the model would not improve the estimation of the pipe structural performances over time. The pipe hydraulic performance is modeled using hydrologic/hydraulic (SWMM) simulations with single observed rainfall events, of two to five year return periods as the input. For this performance model, a second methodology is proposed to identify: i) the hydraulically constraining pipes and their adequate hydraulic capacities; and/or ii) the best location and required area of the SSC practices to eliminate hydraulic dysfunctions. The evolution of the hydraulic performance over time is simulated by increasing the intensity of the considered rainfall events by a factor depending on the CC predictions for the study area. The application of this methodology to two Canadian networks, A and B, only considering pipe replacement, lead to the identification of pipe sections with insufficient hydraulic capacity under current and future conditions. According to this method, under current conditions, 10% of the total length of the pipes in network A is identified as constraining, with replacement required, compared with 14% for network B. The hydraulic performance modeling, including SSC practices, was applied to network A. The model was used to determine the bioretention locations and areas needed to eliminate hydraulic dysfunctions under current and future conditions, which are about 10 601 and 12’379 m², respectively. For both sewer networks, a 15% increase of the most problematic rain event intensity causes a significant increase in the proportion of hydraulic dysfunctions and therefore in the required upgrading interventions. The proportion of surcharged nodes increases by 28% for network A and 115% for Network B due to the increasing rainfall intensity. This demonstrates the importance of considering CC in sewer renewal planning. The integrated renewal planning method was applied to network A, including the structural and hydraulic performances of the pipes, and considering CC. The proposed method allowed a better choice of renewal options that are required to maintain an adequate performance for the next 25 years at minimal cost. Compared to a traditional renewal approach, the integrated renewal planning provides an economy of about 33% of the needed cost to upgrade the hydraulic and structural sewer network. These findings, particularly the economic gain, confirm and verify the governing at the heart of this thesis.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Duchesne, Sophie
Co-directeurs de mémoire/thèse: Mailhot, Alain
Mots-clés libres: réseaux de drainage urbain; égouts pluviaux; hydraulique; changements climatiques;
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 25 sept. 2020 21:34
Dernière modification: 20 oct. 2020 14:08
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/9068

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