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Caractérisation des rejets urbains de temps de pluie (RUTP) et impacts des changements climatiques

Gooré Bi, Ba Eustache (2015). Caractérisation des rejets urbains de temps de pluie (RUTP) et impacts des changements climatiques. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les refoulements d’égouts unitaires, les inondations en milieu urbain et la pollution du milieu récepteur sont devenus de plus en plus chroniques, et cette tendance devrait s’amplifier en raison notamment de l’urbanisation grandissante des Villes et des changements significatifs dans les régimes de précipitations.

Les objectifs poursuivis dans ce travail de thèse consistaient plus spécifiquement à analyser l’incidence des variables pluviométriques sur les concentrations moyennes événementielles (EMCs) et les flux événementiels (EFs), à évaluer les risques écotoxicologiques des rejets d’une surverse d’égout unitaire sur les écosystèmes aquatiques récepteurs et enfin à évaluer tant quantitativement que qualitativement l’impact des changements climatiques (CC) sur les rejets urbains de temps de pluie (RUTP). Pour ce faire, l’étude a caractérisé simultanément pour des événements pluvieux communs les rejets d’un réseau d’égout unitaire et d’un réseau séparatif pluvial de deux bassins versants distincts de l’agglomération de Longueuil (Québec, Canada). Un large panel de paramètres de pollution (n=125) et quatre bioessais ont été considérés. Une double approche « substances et bioessais » a été suivie pour analyser les risques écotoxicologiques des rejets tant pour le climat actuel que pour le climat futur.

Les résultats obtenus ont montré pour les polluants considérés une grande variabilité intrasite, inter-sites et inter-événements des EMCs et EFs, liés particulièrement à la variabilité des événements pluvieux suivis. Les résultats ont également mis en évidence la contribution significative de l’érosion des dépôts accumulés dans le réseau unitaire, suggérant son récurage. L’analyse des corrélations indiquent que la durée de temps sec précédent la pluie est la variable hydrologique prépondérante (61 %) pour prédire les EMCs des polluants organiques et nutritifs alors que celles dominantes pour estimer les EFs sont la hauteur totale de pluie (69 %) et le volume déversé (VD, 57%). Les matières en suspension (MES) jouent le rôle de traceurs de nombreux polluants (organiques et nutritifs), expliquant ici 97 % de la variabilité des EFs de ces polluants, suggérant que le choix d’une solution technologique pour l’abattement des MES permettra de réduire également ces polluants.

La double approche « substances et bioessais » se présente comme un outil de gestion prometteur pour la surveillance des effluents unitaires non traitées. L’évaluation de l’impact des CC a mis en avant une augmentation de VD de 15 à 500 %, et du débit de pointe (Qcso) de 13 à 148 % à l’horizon 2050, suggérant que (i) les relations entre les précipitations et les variables caractérisant les surverses d'égouts (VD, Qcso) ne sont pas linéaires et (ii) les changements dans les régimes de précipitations nécessitent d’ajuster les critères hydrologiques de conception des infrastructures hydrauliques. Les indices de risque ecotoxicologique doubleront en climat futur (2050) comparativement au climat actuel (2013). Cependant, les données de la présente étude n’ont pas montré de risque causé par les rejets de la surverse de Longueuil pris seuls, en raison notamment du fort pouvoir de dilution du Fleuve Saint-Laurent récepteur.

Finalement, cette recherche a mis en évidence de potentiels risques écotoxicologiques liés aux effluents municipaux non traités et présente un cadre pour investiguer les stratégies de gestion durable pour l’abattement de cette pollution. Elle suggère la nécessité de repenser l’aménagement du territoire urbain par la densification, les pratiques de gestion optimales (PGO) telles le verdissement de l’espace urbain, l’infiltration des eaux pluviales, la filtration des eaux de ruissellement par l’aménagement des tranchées drainantes, des noues, des toits verts, etc. Bien que les scénarios de CC soient sujets à de nombreuses incertitudes, l'adaptation aux effets hydrologiques et environnementaux des changements significatifs dans les régimes de précipitations s’avère nécessaire. Compte tenu des volumes considérables en jeu en climat futur, les recherches à venir devront davantage s’atteler à l’évaluation des stratégies permettant de limiter les effets des CC et de l’urbanisation galopante des Villes.

Titre traduit

Characterization of urban wet weather discharges (UWWD) and the impact of climate change

Résumé anglais

Combined sewer overflows (CSOs), urban flooding and pollution of the receiving environment have become increasingly chronic problems. The trend is likely to intensify due to urban growth and significant changes in precipitation.

The goals of this thesis work were to analyse the impact of rainfall variables on event mean concentrations (EMCs) and event fluxes (EFs), to evaluate the ecotoxicological risks of discharges from a combined sewer overflow on receiving aquatic ecosystems, and to evaluate the quantitative and qualitative impact of climate change (CC) on urban wet weather discharges (UWWD). The study was carried out simultaneously on two catchment areas in the Longueuil urban agglomeration (Quebec, Canada) for common rainfall events to characterize the discharges from a combined sewer system and from a separated storm sewer system. A large panel of pollution parameters (n=125) and four bioassays were considered. A two-pronged « substance and bioassay » approach was used to analyse the ecotoxicological risks of the discharges under both current climate conditions and future climate conditions.

The findings revealed that, for the pollutants considered, there was wide intra-site, inter-site and inter-event variability for EMCs and EFs, linked primarily to the variability of therainfall events monitored. The results also highlighted the significant contribution of the erosion of accumulated deposits in the combined sewer system, suggesting a scouring of this system. Analysis of the correlations indicate that the length of dry antecedent time is the best hydrological variable (61%) in predicting EMC values for organic and nutrient pollutants, while the best variables to estimate EF values are total rainfall (69%) and volume discharged (VD, 57%). Total suspended solids (TSS) act as tracers for numerous pollutants (organics and nutrients), accounting for 97% of EF variability in this study and suggesting that the choice of a technological solution to reduce TSS would also help limit these pollutants.

The two-pronged « substance and bioassay » approach is a promising management tool for monitoring untreated combined effluents. The evaluation of the impact of CC highlighted an increase in VD from 15% to 500% and in peak flow (Qcso) from 13% to 148% by 2050, suggesting that (i) the relationships between rainfall and the variables characterizing sewer overflows (VD, Qcso) are not linear, and (ii) changes in rainfall require adjustments in the design criteria of water infrastructures. Ecotoxicological risk indices will double under future climate conditions (2050) compared to current climate conditions (2013). However, the data from the present study did not show risk caused by discharges from Longueuil’s combined sewer overflow alone, mainly because of the strong diluting effect of the receiving St. Lawrence River.

Lastly, this study also highlighted potential ecotoxicological risks associated with untreated municipal effluents and provides a framework for investigating sustainable management strategies to reduce this pollution. It suggests the need to rethink urban land development through densification, best management practices (BMP) such as urban greening, storm water infiltration and the filtration of runoff by introducing drainage trenches, ditches, green roofs, etc. Although there are many uncertainties regarding CC scenarios, adjustments are required in response to the hydrological and environment effects of significant changes in precipitation. In light of the considerable volumes projected under future climate conditions, future studies should focus more on evaluating strategies that will limit the impact of CC and of rapidly expanding urbanization.

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". Bibliographie : pages 205-230.
Mots-clés libres: Eaux usées Évacuation. Eaux usées Aspect de l'environnement. Eaux usées Toxicité globale. Risques écotoxicologiques Évaluation. Égouts Québec (Province) Longueuil, Agglomération de. Précipitations (Météorologie) Facteurs climatiques. Pluviométrie. rejet urbain de temps de pluie (RUTP), surverse d’égout unitaire, rejets pluviaux, concentrations et flux événementiels, hydrologie, changement climatique (CC), précipitations extrêmes, impact sur le milieu récepteur, écotoxicologie, campagne de mesures
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Monette, Frédéric
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 05 août 2015 14:30
Dernière modification: 05 août 2015 14:30
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1487

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