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Optimisation de la gestion en temps réel des réseaux urbains de drainage basée sur la qualité des eaux

Dion, Yves (2012). Optimisation de la gestion en temps réel des réseaux urbains de drainage basée sur la qualité des eaux. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La gestion en temps réel des réseaux d’assainissement est de plus en plus privilégiée pour diminuer l’ampleur des inondations et réduire les impacts sur le milieu naturel. Cette gestion dynamique vise à suivre, analyser et contrôler le fonctionnement de ces réseaux avec un faible décalage dans le temps, par des actions correctives ou préventives. En temps de pluie, ces actions consistent à télécommander des ouvrages de contrôle, dans le but de minimiser les rejets d’eaux usées, vers les cours d’eau récepteurs. Trois pré-requis sont essentiels à la réussite d’une gestion en temps réel des réseaux de drainage pour un réseau instrumenté. Le premier consiste à acquérir une connaissance juste du comportement hydraulique du réseau en ayant recours à cette fin à la modélisation. Puis, il faut procéder à la prévision quantitative et qualitative des flux pour enfin déterminer des consignes optimales de gestion. Les travaux exposés dans l'article 1 permettent de simuler le comportement hydraulique des réseaux de drainage, en utilisant deux approches de modélisation, en vue d’analyser leur performance respective. La première approche, globale, est basée sur la méthode rationnelle généralisée; où l’ensemble du réseau situé en amont du point de régulation ou du tronçon de conduit à évaluer est représenté par un seul noeud de drainage. Le modèle hydraulique global basé sur cette méthode utilise l’équation de Bernoulli généralisée appliquée à chaque conduit à évaluer. La deuxième approche, plus détaillée, est basée sur le couplage du modèle du réservoir non linéaire pour simuler le ruissellement à l’exutoire de chacun des sous-bassins de drainage avec les équations de Saint-Venant, pour laminer les hydrogrammes ainsi obtenus dans les différents conduits de drainage. L'étude de cas a permis de comparer les résultats obtenus par ces deux approches en les appliquant à des petits réseaux synthétiques et réels. Des résultats sensiblement équivalents ont été obtenus par l’utilisation des deux approches. La méthode rationnelle généralisée, possède cependant, l’avantage d’atteindre les objectifs poursuivis en nécessitant, comparativement à la méthode du réservoir non linéaire, beaucoup moins de données de terrains et d’efforts de modélisation. En conclusion de ce premier article, le constat est à l’effet que le modèle proposé permet de simuler adéquatement le comportement d’un réseau d’égout avec un niveau de précision acceptable en vue de son utilisation pour gérer en temps réel ce réseau et pour des besoins d'évaluation de son comportement hydraulique. Les travaux présentés dans l'article 2 se rapportent au développement de modèles de prévision en temps réel des flux et des charges à l’exutoire de bassins de drainage urbain. Ces modèles visent à générer des hydrogrammes et des pollutogrammes à l’aide d’approches globales utilisant un minimum de paramètres du bassin versant. Pour atteindre cet objectif, une procédure structurée basée sur le couplage de la méthode de l’hydrogramme rationnel amélioré (IRH) et du modèle de Muskingum généralisé est proposée. L’équation du modèle hydrologique IRH, permet de générer les flux quantitatifs et qualitatifs du ruissellement directement à partir des données pluviométriques en se basant sur un nombre minimal de paramètres intrinsèques au bassin de drainage. Le modèle de Muskingum, transformé en modèle autorégressif, permet de simuler la propagation dans le réseau de drainage et la transformation des hydrogrammes et pollutogrammes ainsi obtenus. Le système d'équations est résolu en utilisant le filtre de Kalman pour réajuster en temps réel les paramètres des modèles utilisés, en fonction des erreurs de prévision calculées à chaque pas de temps. Ce filtre assure également de surmonter le manque de reproductibilité qui peut arriver lors d'un événement de pluie et d'un événement de pluie à un autre. Il permet par ricochet de s’affranchir de la procédure d'étalonnage, traditionnellement requise en modélisation statique classique. L’utilisation combinée des modèles de Muskingum généralisé et du modèle de l’IRH modifié a permis d’améliorer sensiblement les performances comparativement à leur utilisation séparée. De plus, le filtre de Kalman permet de prendre en considération les modèles non stationnaires dont les paramètres varient dans le temps, et améliore par ce fait, la précision des prévisions. L'article 3 est spécifiquement axé sur l'établissement de points de consigne optimaux à des exutoires de réseaux d'égouts urbains pour la conduite en temps réel en se basant sur des paramètres de la qualité de l'eau, afin de permettre le contrôle de l’interception des eaux usées urbaines en temps de pluie. La tâche principale de ce travail était d'évaluer la performance de cette approche qualité. La méthodologie a été testée avec succès en utilisant un réseau d'interception simplifié générique et les mesures issues de la campagne 2010 de caractérisation de la qualité de l'eau des débordements d’eaux usées du programme de surveillance de la Ville d’Hamilton (Ontario). Ce travail avec un réseau d'interception simplifié générique a démontré que cette approche permet d’intercepter plus de polluants que le scénario statique et que celui consistant à procéder dynamiquement à la maximisation des débits. L'étude de cas a montré que, malgré le fait que l'intercepteur générique est une représentation simplifiée, les résultats montrent qu'une approche de gestion basée sur la qualité de l'eau pourrait être une approche appropriée pour lutter contre la pollution. Les deux scénarios dynamiques faisant appel d’une part à une méthode d’optimisation mathématique des charges de pollution et d’autre part à une méthode heuristique de maximisation des charges de pollution à base de règles, considérés dans cette étude ont offert un meilleur rendement que le scénario de maximisation du débit, ce qui a confirmé la validité de la proposition de cette étude qui consiste à axer la conduite en temps réel d’un réseau sur une approche basée sur la qualité. Bien que le gain en performance pour un scénario de maximisation de débit en comparaison avec un scénario statique témoin est de 53%, il atteint 83% pour le scénario de maximisation des charges à base de règles et 100% pour le scénario d'optimisation mathématique des charges en utilisant la méthode du simplex. Cette approche, telle que proposée dans cette étude, pourrait constituer un moyen efficace pour prioriser des sites de débordements moins vulnérables sur la base de paramètres de qualité de l'eau, afin de tirer parti au maximum de la capacité disponible dans le système de collecte, afin d’acheminer la composante la plus polluée à être traitée à l'usine de traitement. Par conséquent, cet outil, tout en utilisant très peu de données, pourrait être considéré comme étant un outil complémentaire adéquat pour être utilisé comme une extension d'une approche de maximisation de flux, dans un système plus large de contrôle de la pollution, pour la gestion des réseaux d'égouts urbains.

Résumé traduit

Real-time control of sewerage systems is increasingly preferred to reduce the magnitude of floods and overflows impacts on the natural environment. This dynamic control approach allows monitoring, analyzing and controlling the operation of these networks with a small lag time, by corrective or preventive actions. These actions consist in remotely control regulation structures in order to minimize wastewater discharges to receiving waters during rain events. However, three prerequisites are essential to the success of real-time control. The first one is to acquire accurate knowledge of the network hydraulics’ behavior by using modeling. Then proceed with the quantitative and qualitative forecast of flows and loads to finally establish optimal set points. The work outlined in Article 1 allows the simulation of drainage networks hydraulics’ behavior, using two modeling approaches. The first, which is a global approach, is based on the Generalized Rational Method for which the entire network upstream of a regulation location or of the pipe section to be evaluated is aggregated as a single node. The global hydraulic model based on this method uses the generalized Bernoulli equation applied to each pipe to be evaluated. The second approach, more detailed, is based on the coupling of the Nonlinear Reservoir Model to simulate runoff at the outlet of each sub-network with the Saint-Venant equations, to laminate the resulting hydrographs within the network. The case study was conducted to compare the results obtained by these two approaches by applying them to small synthetic and real networks. Substantially equivalent results were obtained. The Generalized Rational Method however, when compared with the Non-Linear Reservoir method, has the advantage of achieving the pursued objectives by requiring much less field data and modeling efforts. Conclusions of this first article are to the effect that the proposed model can adequately simulate networks behaviors with an acceptable degree of accuracy for its use for controlling in real-time sewer systems and for hydraulic behavior needs assessment purpose. The primary focus of article 2 is to develop a simple but still efficient real-time flow and load prediction tool using only a minimal set of watershed data at the outfall of an urban sewer shed. This tool is aiming at emulating sewer sheds inclination to attenuate hydrographs, without requiring any detailed modeling of a given sewer network to get the final hydrograph. For such reason and in order to allow computation of direct runoff of desired magnitude and duration at an outlet, a structured procedure is proposed through the use of a linked Improved Rational Hydrograph (IRH) method with a Modified Linear Muskingum semi-empirical model transfer function. The IRH equation allows generating realistic flows and loads from a minimal rainfall and sewersheds data set. The modified Muskingum model, once transformed in an autoregressive model enables the simulation of routing hydrographs within the networks. The system of equations is solved by coupling the resulting discrete convolution equation with a Kalman Filter, to enable in real time a dynamic calibration of the Muskingum model coefficients and parameters, by readjusting them using the computed prediction errors at each time steps. Using this Filter has allowed to overcome the lack of reproducibility that can happen during an event, and from one event to another.

As an indirect result, the use of this filter has permitted to get rid of the calibration procedure traditionally required under classic static modeling. Using both models in combination has generated a noteworthy gain in performance in comparison with their separate utilization. In addition, the proposed algorithm has allowed managing non stationary models which parameters vary over time, and in doing so has improved the accuracy of the desired forecast. Article 3 is specifically focused on establishing optimal set points for RTC based on water quality parameters at outfalls of urban sewer networks, to enable the control of the capture of urban wet weather wastewater. The main task of this work was to assess the performance of this water quality-based approach. The methodology was tested successfully using a simplified generic interceptor network and measurements from the City of Hamilton’s (Ontario) 2010 CSO Water Quality Characterization and Monitoring Program. This work with a generic simplified interceptor network has demonstrated that this approach can capture more pollutants than a static scenario or a flow maximization scenario. The case study has shown that despite the fact the generic interceptor is a simplify representation, results are showing that a water quality-based management approach could be a suitable approach to pollution control. Both Mathematical Loads Optimization and Rules based Loads Maximization scenarios considered in this study performed better than the Flow Maximization scenario and at the same time, confirmed the validity of the proposed quality based approach. While the gain in performance for a Flow Maximization scenario in comparison with a Static Base scenario is 53%, it reached 83% for the Rules based Loads Maximization scenario and 100% for the Mathematical Loads Optimization scenario respectively. This approach, as proposed in this study, could be an efficient mean to prioritize overflows at less vulnerable locations based on water quality parameters, in order to make maximum use of available capacity within the collection system, to carry the most polluted component of the wet weather flow to be treated at the treatment plant. Consequently, this tool, while using very little data, could be considered as being an adequate complementary tool to be used as an extension of a flow maximization approach, within a broaderefficient pollution control system, for the management of urban sewer networks.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr. : f.[167]-175.
Mots-clés libres: Drainage domestique - Gestion. Égouts. Étalonnage. Polluants de l'eau. gestion en temps réel, qualité, réseaux d’assainissement, modélisation, prévision, consignes, Muskingum, filtre de Kalman, calibration dynamique, exutoire, charges de polluants.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bennis, Saad
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 16 nov. 2012 21:23
Dernière modification: 03 mars 2017 22:37
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1096

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