L'objectif de cette maîtrise est d'évaluer différents modèles hydrauliques simplifiés, ainsi que des méthodes de calage en ligne pour la gestion en temps réel de réseaux d'assainissement par commande prédictive. Les qualités recherchées sont : robustesse, rapidité d'exécution, précision de prédiction, intégration dans le schéma de contrôle et adaptabilité. Les modèles hydrauliques linéaires d'écoulement MA et ARMA, ainsi que onze méthodes de calage (moindres carrés simples, algorithme à facteur d'oubli variable et trace constante, filtre de Kalman et filtre de Kalman augmenté sans et avec contraintes, identification prédictive, quatre variantes de programmation non linéaire) ont été définies et analysées. Des tests ont été faits avec des données simulées à l'aide de SWMM, puis avec des mesures provenant du réseau d'égouts de la Ville de Québec. Les tests présentés dans ce mémoire montrent que les modèles MA couplés aux méthodes de programmation non linéaire produisent les meilleurs résultats.

Pour plusieurs grandes villes nord-américaines et européennes possédant un réseau unitaire, les bassins de rétention sont devenus un moyen courant pour diminuer les rejets polluants aux cours d'eau récepteurs et pour régulariser les charges hydrauliques arrivant à la station en temps de pluie. Cependant, des études démontrent que la vidange des réservoirs a un effet négatif sur le procédé de traitement des stations d'épuration. Cette étude vise deux objectifs: (1) caractériser les eaux unitaires à l' entrée et lors de la vidange d'un réservoir de rétention par temps de pluie pour deux paramètres principaux: matières en suspension (MES) et demande chimique en oxygène (DCO) et (2) évaluer des bilans massiques de polluant à l'entrée et à la sortie d'un bassin de rétention pour estimer l'impact sur la station d'épuration des eaux usées. Pour ce faire, une campagne d'échantillonnage dans laquelle la récolte et l'analyse des eaux unitaires à l'entrée et la sortie ont eu lieu dans un réservoir de rétention utilisant un système de vidange par pompage a été réalisée. Les analyses ont démontré une grande variabilité des eaux unitaires dans le réservoir. Ensuite, on a observé que les particules semblent décanter rapidement, car on les retrouve en grandes quantités lors des premières 30 minutes de la vidange par pompage. Finalement, les bilans de masse réalisés démontrent que les réservoirs de rétention emmagasinent une importante quantité de matières, permettant d'éviter d'importantes contaminations des cours d'eau lors d'événements pluvieux. Lors de la première heure de vidange du réservoir, en moyenne 45% de la totalité des MES est envoyé à la station d'épuration des eaux usées.

La pollution des eaux dans les réseaux unitaires et sanitaires peut être affectée par le changement du comportement hydraulique dans ces derniers. Les Matières en Suspension (MeS) sont considérées comme un indicateur majeur de cette pollution. C’est dans ce contexte que cette étude s’inscrit. Son objectif principal consiste à caractériser le comportement des polluants particulaires dans les réseaux d’assainissement sous différentes conditions hydrauliques. Afin d’atteindre les objectifs de la recherche, des tests de MeS, MVeS (Matières Volatiles en suspension) et ViCAs (Vitesse de Chute en Assainissement) ont été effectués sur des eaux unitaires et sanitaires de la Ville de Québec. De plus, une base de données a été fournie par la Ville de Québec qui a permis d’étudier le comportement hydraulique. Les résultats obtenus en termes de comportement hydraulique en temps de pluie confirment que le débit varie avec les caractéristiques des évènements pluvieux dans le réseau unitaire. Également, une augmentation importante de débit a été observée en réseau sanitaire vieillissant à la suite de pluies. En termes de qualité de l’eau, l’évolution de la concentration en MeS et MVeS est similaire à l’évolution du débit en temps sec. En temps de pluie, des profils décroissants de MeS sont obtenus pour quelques évènements où la concentration la plus forte peut être associée au premier flot. Les variations en termes d’hydraulique du système ont affecté les vitesses de chute des particules observées. En effet, ces vitesses augmentent avec le débit (la vitesse d’écoulement). D’autre part, l’augmentation de la fraction organique des particules coïncide avec une diminution de leurs vitesses de chute. En conclusion, cette étude a permis une meilleure compréhension des processus affectant le comportement des particules dans les réseaux d’assainissement ce qui contribuera à l’amélioration et la prévision de la qualité de l’eau. / Water pollution in combined and sanitary sewers can be affected by changes in hydraulic behaviour in sewer systems. The Total Suspended Solids (TSS) are considered a major indicator of this type of pollution. It is in this context that this study fits. Its main objective is to characterize the behaviour of particulate pollutants in sewer systems under different hydraulic conditions. In order to achieve the research objectives, analyses of TSS, VSS (Volatile Suspended Solids) and ViCAs (Settling velocity in sewage) were performed with combined and sanitary water samples from Québec City. In addition, a database was provided by the city to study the hydraulic behaviour. The results obtained in terms of the hydraulic behaviour in wet weather show that the variation of the flow rate depends on the characteristics of the rain in the combined sewer system. Also, an important increase in flow in the old sanitary sewer was observed in wet weather. In terms of water quality, the evolution of the concentration of TSS and VSS in dry weather follows the evolution of the flow. In wet weather, decreasing TSS profiles are obtained for some events where high concentrations can be associated to first flush. These variations of the system hydraulics and concentrations of TSS and VSS also affected the particle settling velocity distribution measured with the ViCAs protocol. In fact, the settling velocity increases with the flow (flow velocity). On the other hand, an increase in the organic fraction coincides with a decrease in the settling velocity. In conclusion, this study has provided a better understanding of the processes affecting the behaviour of particles in sewer systems, which will contribute to the improvement and the prediction of water quality.

Les réservoirs de rétention sont un moyen actuel pour diminuer les rejets de polluants dans le cours d'eau récepteur lors de débordements de réseaux unitaires en temps de pluie. Cependant, des études démontrent que la vidange des réservoirs peut avoir un effet négatif sur les procédés de traitement des stations d'épuration (STEP). Ainsi, cette étude a pour but de (1) caractériser les eaux de vidange d'un réservoir de rétention et (2) évaluer l'impact des vidanges sur l'affluent de la station d'épuration. L'étude est basée sur le cas de la ville de Québec. Celle-ci a fait construire au cours des dernières années une dizaine de réservoirs de rétention sur le bassin versant de 15 km2 de sa station Est, et qui comporte 50% de conduites unitaires. Pour la caractérisation, un bassin de rétention a été échantillonné en 2009 et en 2010. Des échantillons ont été récoltés sur les eaux vidangées du réservoir de rétention hors-ligne ainsi qu'à l'affluent de la STEP Est de la ville de Québec. Par la suite, des analyses de la teneur en matières en suspension (MES) et dé la demande chimique en oxygène (DCO) ont été réalisées. Le logiciel SWMM5 a été utilisé pour simuler le parcours des eaux au sein du réseau d'interception et l'impact que peuvent avoir les vidanges des 10 bassins sur la qualité de l'eau envoyée à la station. Les résultats de la caractérisation montrent une grande variabilité de la qualité des eaux lors de la vidange. Trois différentes phases peuvent généralement être identifiées : début (concentration en MES élevée ~ 1500 mg/1), milieu (70 mg/1) et fin (500 mg/1). En fonction de la masse totale en MES retenue et retournée vers la station, ces phases correspondent environ à 10%, 70% et 20% respectivement pour le début, le milieu et la fin. L'utilisation de SWMM a montré que, dépendamment du temps de parcours du réseau et de la qualité d'eau vidangée, les impacts sur la qualité de l'affluent de la station d'épuration sont très variables, allant de phases de dilution à des phases d'augmentation de la concentration en polluants.

Si les débordements de réseaux unitaires sont reconnues comme étant un facteur important de l'impact environnemental du traitement des eaux usées urbaines, l'efficacité de l'implantation de bassins de rétention (BR) comme solution n'en demeure pas moins un questionnement. En effet, de plus en plus d'études tendent à prouver que l'impact de la vidange des BR sur l'efficacité de traitement d'une usine, et donc l'impact sur l'environnement, peut être négatif. L'interdisciplinarité et l'échelle géographique et temporelle de la problématique rendent l'appréhension de la problématique difficile par la seule mesure "in situ". L'intégration de plusieurs modèles du système urbain d'eaux usées se révèle être un outil puissant dans ce contexte. La simulation de différents scénarios amène à mieux anticiper les problèmes liés à la gestion des eaux usées, en temps de pluie comme en temps sec. Par conséquent, les coûts économiques et écologiques associés soit à la mise en place de nouvelles infrastructures, soit à la prise de décision concernant les stratégies de gestion du système, peuvent être optimisés. Il devient ainsi nécessaire de produire des modèles performants décrivant la qualité des eaux tout au long de leur cheminement. Les données sur le comportement des polluants dans les bassin de rétention sont peu nombreuses et la caractérisation des eaux retournées à l'usine de traitement est rarement étudiée. Par conséquent, si les connaissances des phénomènes en jeu sont souvent supposées, leur observation reste assez rare. Une partie importante du projet a donc été consacrée à la réalisation d'une campagne d'échantillonnage. Ce type d'échantillonnage s'est révélé être un exercice complexe et très contraignant en raison de l'imprévisibilité des événements orageux. L'objectif de cette campagne était de récolter des données en entrée et en sortie de bassin de rétention, principalement en ce qui concerne la matière en suspension, la demande chimique en oxygène et la distribution des vitesses de chute. Les résultats ont montré des dynamiques typiques de vidange révélant une forme en "U" des concentrations en polluants. Cette forme souligne trois phases appelées "initiale, milieu et finale" où chacune est caractérisée par une fourchette de concentrations et une distribution de vitesses de chute de particule qui lui est propre. De manière plus générale, il a été observé que plus les concentrations en MeS augmentent, plus la distribution des vitesses de chute est "lourde". Ces données couplées à des mesures en temps sec dans le collecteur et dans un bassin de décantation ont permis de comprendre les phénomènes en jeu, les interactions possibles entre les systèmes, et d'établir une structure solide pour le modèle. La littérature scientifique contient un grand nombre d'études de modélisation de la qualité de l'eau concernant les procédés de traitement. Cependant, elle est moins riche oncernant la description de la qualité des eaux en réseau et assez pauvre concernant la description de la qualité des eaux stockées en réseau ou en bassin de rétention. Les quelques modèles de BR existants décrivent assez simplement la décantation et la resuspension, qui sont pourtant les phénomènes dominant de ces systèmes. Ces modèles ont rarement été validés avec des données réelles car ces phénomènes sont difficiles à observer et à quantifier. Le projet visait donc à développer un modèle de bassin de rétention décrivant le comportement de la matière en suspension et de la demande chimique en oxygène à l'effluent d'un bassin de rétention (retour des eaux à l'usine) de sorte qu'il soit compatible avec les modèles de boue activées de type ASM de VInternational Water Association. La description des phénomènes de décantation et de resuspension est basée sur un fractionnement en classes de particules ayant différentes vitesses de chute. Ce fractionnement est directement issu de mesures de terrain réalisées en vue d'observer la variation de la distribution des vitesse de chute. Les effets d'un puits de pompage sur la sédimentation et la resuspension sont aussi décrits. Deux événements récoltés ont servi à la calibration du modèle et un autre a été utilisé pour sa validation. Cette étape est d'importance car elle n'a jamais été réalisée sur un modèle de BR. L'objectif final du modèle était qu'il soit intégré dans un système plus global (réseau - usine - rivière). Différents scénarios de gestion des vidanges de bassins de rétention ont mis en évidence les interactions entre les différents sous-systèmes en termes de masse de MeS et de masse de classes de particules. En effet, l'étude de l'évolution de la distribution des vitesses de chute des particules le long de la chaine de l'eau peut être une information utile pour anticiper les problèmes au traitement secondaire. Par exemple, une plus grande fraction de particules ayant une forte vitesse de chute peut engendrer : 1) une augmentation du temps d'hydrolyse des particules dans un système par boues activée ; ou 2) un plus grand risque de colmatage des biofiltres. Une meilleure compréhension de ces interactions peut permettre la mise en place de règles d'opération et de contrôle plus efficaces pour diminuer l'impact des rejets d'eaux usées sur l'environnement.

Ce mémoire présente le développement d'un simulateur permettant d'étudier différentes stratégies applicables au contrôle de la vidange d'un réservoir de rétention du réseau sanitaire de l'est de la ville de Québec soit celui du site St-Sacrement. Dans un premier temps, le contexte du projet est présenté afin de bien comprendre les modèles qui sont proposés pour constituer le simulateur. Les modèles présentés, à prime abord, sont ceux par défaut, c'est à dire, disponibles avant la mise en service des installations. Cependant, les conditions hydrauliques de cette station de contrôle ne permettent pas de satisfaire toutes les hypothèses des modèles par défaut de telle sorte qu'une étape de calibration a été nécessaire. Suite à la réalisation de tests expérimentaux, différents modèles ont alors été calibrés afin d'augmenter la précision du simulateur. Ceci a permis de construire plusieurs simulateurs en fonction des modèles présentés (par défaut et expérimentaux). Des données expérimentales recueillies lors de la vidange contrôlée du 17 juillet 2005 ont permis de sélectionner le meilleur simulateur. Il s'est avéré que les modèles par défaut permettent de représenter le système avec précision sous réserve d'utiliser un bon délai d'écoulement entre le réservoir et la chambre de contrôle. Par ailleurs, des phénomènes en apparence complexes ont été modélisés avec des modèles relativement simples ce qui a permis d'augmenter du même coup la stabilité du simulateur. Le simulateur choisi a alors été utilisé pour tester et comparer différentes stratégies de contrôle pour la vidange du réservoir. Celui-ci a par ailleurs été modifié quelque peu afin de connaître la performance des différentes approches de contrôle présentées pour un système comportant des contraintes encore plus sévères. Les résultats montrent que les approches de contrôle plus avancées basées sur des modèles internes offrent de meilleures performances qu'un contrôleur PID mais qu'ils ne se démarquent significativement que pour les simulations utilisant des contraintes plus sévères. / This thesis presents the development of a Simulator to study various strategies applicable to control the emptying of a retention reservoir located at the St-Sacrement site, which is part of Québec City's Eastern wastewater collection network. The context of the project is first presented to fully understand the models proposed to build the Simulator. The models presented at first are default models, i.e. available before the commissioning of the facilities. However, because the hydraulic conditions of this control station could not satisfy ail the hypotheses related to the default models, some calibration was required. Following experimental tests, various models have been calibrated to increase the accuracy of the simulator. Several simulators were then built based on the models presented (default and experimental). The experimental data collected during the controlled emptying of the reservoir on July 17, 2005 was used to select the best simulator. It was found that default models can represent the network accurately provided that the flow is delayed between the basin and the control chamber. Also, some phenomena which seemed complex at first glance were simulated with relatively simple models, thus increasing the stability of the simulator. The selected simulator was then used to test and compare various control strategies for the emptying of the reservoir. The latter was later modified to assess the performance of the various control approaches for a System that included even more restrictive constraints. Results show that the more advanced control approaches, based on internal models, perform better than a PID controller. However, they stand out significantly only in simulations using more restrictive constraints.