Intégration du contrôle à la source et du contrôle en temps réel comme mesures de réduction des débordements de réseaux d’égout unitaires.

Jean, Marie-Ève (2022). Intégration du contrôle à la source et du contrôle en temps réel comme mesures de réduction des débordements de réseaux d’égout unitaires. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 197 p.

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Résumé

L’impact croissant des problèmes environnementaux, économiques et sociaux causés par les débordements de réseaux d'égout unitaires (DRU) requiert l’action des municipalités pour établir une gestion plus durable des eaux pluviales. En réponse à ce besoin, la thèse doctorale a évalué comment l’optimisation intégrée de l’implantation de solutions de contrôle à la source (SCS) à l'échelle du bassin versant et du contrôle en temps réel (CTR) du réseau de drainage est applicable comme solution de contrôle des DRU. Le processus de recherche a impliqué deux études de cas et le couplage de deux logiciels d'optimisation avec des modèles de simulations hydrologiques et hydrauliques. Dans le premier cas, l'optimisation des SCS est effectuée avec l’Integrated Planning and Optimization Program (iPOP), qui permet de minimiser les coûts totaux des solutions en déterminant l'emplacement optimal des SCS, le volume des réservoirs et la définition des règles locales pour l’application du CTR. Dans le second cas, la distribution spatiale des SCS est determinée par le biais d'un processus itératif impliquant le logiciel Control of sewer overflow SOFTware (Csoft) et l'application du CTR par modélisation prédictive. Cet outil d'optimisation peut également être appliqué pour réguler les débits en réseau en fonction d’un CTR de type local réactif basé sur des règles ou selon une gestion statique. Pour les deux études de cas, les SCS ont été distribuées en se basant sur une pluie de conception et les performances des scénarios ont été évaluées par une simulation continue des données pluviométriques. Les résultats ont démontré que les SCS implantées seules peuvent réduire considérablement les volumes des DRU (65 à 89% selon le cas d’étude), mais que leur impact sur la fréquence des DRU est plus limité et que le maintien de leur performance face à une intensification des événements de pluie est également faible. L’intégration optimisée du CTR et de la distribution spatiale des SCS sur le territoire permet de pallier ces lacunes, en plus d’être l’option la moins coûteuse (50% de réduction des coûts par rapport aux solutions qui n’incluent pas de SCS). Toutefois, l’intégration d’ouvrages de rétention (infrastructures grises) en plus du CTR et des SCS s’avère recommandée, car cette combinaison de tous les types de solutions analysées est une option presque aussi rentable que l’alternative sans infrastructure grise, en plus d’être plus performante lorsque les incertitudes sur les coûts et les données de conception sont considérées. De plus, l'application de la stratégie de contrôle prédictive plutôt que le CTR local réactif permet de réduire davantage la fréquence des DRU et d'améliorer le respect des priorités environnementales associées aux ouvrages de débordement, lorsqu’applicable, menant à une fréquence de 5 à 10 fois plus petite en comparaison aux autres modes de contrôle pour les ouvrages dont la priorité environnementale est la plus élevée.

The increasing environmental, economic and social threats caused by combined sewer overflows (CSO) require municipal actions toward a more sustainable stormwater management. As a response, the doctoral thesis evaluated how the integrated optimization of the implementation of source control solutions (SCS) at the catchment scale and real-time control (RTC) of the drainage network is applicable for CSO control. The research involved two case studies and the coupling of two optimization softwares with a hydrological and hydraulic simulation model. In the first case, the optimization of SCS is performed with the Integrated Planning and Optimization Program (iPOP), which minimizes the total solution costs by determining the optimal location of SCS, storage tank volumes, and local rules definition for RTC. In the second case, SCS spatial distribution is assessed through an iterative process involving the Control of sewer overflow SOFTware (Csoft) and the application of Model Predictive Control (MPC). This optimization tool can also be applied to regulate flows in the network based on RTC local reactive rules or static management. For both case studies, SCS were distributed based on a design rainfall event and the scenarios’ performance were evaluated through continuous simulation of rainfall data. Results demonstrated that SCS alone can considerably reduce CSO volumes (65 to 89% according to the case study), but their impact on CSO frequency is more limited and the maintenance of their performance when facing an intensification of rainfall events is also weak. The optimized integration of the RTC and spatial distribution of SCS on the territory makes it possible to overcome these shortcomings, in addition to being the least expensive option (50% cost reduction as compared to solutions where no SCS is implemented). However, the integration of underground storage (grey infrastructure) in addition to RTC and SCS is recommended, since the combination of all the types of solutions analyzed is an option almost as cost-effective as the alternative without grey infrastructure, in addition to performing better when considering the uncertainties on the costs and design parameters. Moreover, it was found that applying the model predictive control strategy rather than rule-based RTC further lowered the CSO event frequency and improved the fulfilment of outfall environmental priorities, when applicable, conducting to a CSO frequency 5 to 10 times lower compared to other control methods for outfalls with the highest environmental priority.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Duchesne, Sophie
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Pelletier, Genevièveet Pleau, Martin
Mots-clés libres:	contrôle en temps réel; solution de contrôle à la source Infrastructures vertes; modèle de contrôle prédictif; contrôle basé sur des règles; simulation hydrologique et hydraulique; systèmes de drainage urbain durables; gestion durable des eaux pluviales; développement à faible impact; simulation de précipitations en continu; real-time control; source control solution; green infrastructure; model predictive control; rule-based control; hydrological and hydraulic simulation; sustainable urban drainage systems; sustainable stormwater management; low impact development; continuous rainfall simulation
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	30 mars 2023 19:34
Dernière modification:	30 mars 2023 19:34
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13263

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