Résumé : L’utilisation de chicanes dans les ponceaux de type insertion en polyéthylène de haute densité (PEHD) est devenue une pratique de plus en plus courante afin d’améliorer les conditions hydrauliques pour le passage des poissons. Cependant, on sait peu sur la façon dont les chicanes affectent la capacité hydraulique des ponceaux. Tout d’abord, une étude comparative a été menée afin de déterminer la variation de la vitesse et de la profondeur entre un ponceau en acier ondulé et un ponceau de type insertion en PEHD pour un débit fixe. Il a été constaté que la vitesse augmentera entre 65% et 260% et la profondeur diminuera entre -58% et -27% selon les valeurs de rugosité réelles du ponceau en tôle ondulée et du ponceau en PEHD. Ces résultats justifient des mesures pour améliorer le passage des poissons, comme par exemple l’installation de chicanes. À cette fin, les coefficients de rugosité n de Manning et f de Darcy ont été déterminés expérimentalement pour les chicanes de type déversoir, les chicanes de type fente et les chicanes de type spoiler pour quatre espacements ( λ = 0.6D , 1.2D, 1.8D, 2.4D ) et trois hauteurs ( h = 0.15D, 0.10D, 0.05D), où D est le diamètre nominal du ponceau. La hauteur des chicanes est ressortie comme étant le paramètre géométrique déterminant affectant la rugosité hydraulique. L’espacement se trouve à jouer un rôle secondaire. Un modèle analytique a été développé et analysé afin de déterminer les effets de la réduction de la rugosité (α = n/nf ), la réduction radiale (β = D/Do), la longueur du ponceau (L) et les traitements d’entrée (ke) sur la capacité hydraulique des ponceaux en tôle ondulée après avoir été réhabilités par insertion d’un ponceau en PEHD. Les résultats montrent que de nombreux ponceaux en PEHD peuvent accueillir des configurations de chicanes ayant des valeurs de α se situant entre 0,5 à 0,9 et continuer de respecter la capacité hydraulique requise. Des recommandations de conception pour l’utilisation de chicanes dans des courts et longs ponceaux en PEHD sont discutées. // Abstract :

Résumé : L’utilisation de chicanes dans les ponceaux de type insertion en polyéthylène de haute densité (PEHD) est devenue une pratique de plus en plus courante afin d’améliorer les conditions hydrauliques pour le passage des poissons. Cependant, on sait peu sur la façon dont les chicanes affectent la capacité hydraulique des ponceaux. Tout d’abord, une étude comparative a été menée afin de déterminer la variation de la vitesse et de la profondeur entre un ponceau en acier ondulé et un ponceau de type insertion en PEHD pour un débit fixe. Il a été constaté que la vitesse augmentera entre 65% et 260% et la profondeur diminuera entre -58% et -27% selon les valeurs de rugosité réelles du ponceau en tôle ondulée et du ponceau en PEHD. Ces résultats justifient des mesures pour améliorer le passage des poissons, comme par exemple l’installation de chicanes. À cette fin, les coefficients de rugosité n de Manning et f de Darcy ont été déterminés expérimentalement pour les chicanes de type déversoir, les chicanes de type fente et les chicanes de type spoiler pour quatre espacements ( λ = 0.6D , 1.2D, 1.8D, 2.4D ) et trois hauteurs ( h = 0.15D, 0.10D, 0.05D), où D est le diamètre nominal du ponceau. La hauteur des chicanes est ressortie comme étant le paramètre géométrique déterminant affectant la rugosité hydraulique. L’espacement se trouve à jouer un rôle secondaire. Un modèle analytique a été développé et analysé afin de déterminer les effets de la réduction de la rugosité (α = n/nf ), la réduction radiale (β = D/Do), la longueur du ponceau (L) et les traitements d’entrée (ke) sur la capacité hydraulique des ponceaux en tôle ondulée après avoir été réhabilités par insertion d’un ponceau en PEHD. Les résultats montrent que de nombreux ponceaux en PEHD peuvent accueillir des configurations de chicanes ayant des valeurs de α se situant entre 0,5 à 0,9 et continuer de respecter la capacité hydraulique requise. Des recommandations de conception pour l’utilisation de chicanes dans des courts et longs ponceaux en PEHD sont discutées. // Abstract :

L’optimisation du système d’assainissement et la réduction des rejets d’eaux résiduaires urbaines non traitées est devenue un enjeu majeur pour de nombreuses collectivités dans le but d’atteindre les objectifs de qualité des milieux aquatiques fixés par la Directive Cadre européenne sur l’Eau (DCE 2000/60/CE). Pour cela, une parfaite connaissance du système d’assainissement est nécessaire. L’objectif de cette thèse, financée par la CDAPP et l’Agence de l’Eau Adour Garonne, était l’étude de la dynamique du système d’assainissement de la CDAPP et de sa contribution sur les flux de polluants dans le milieu récepteur (le Gave de Pau). La première étape du travail a été consacrée à la caractérisation hydraulique et physicochimique du système d’assainissement par temps sec et par temps de pluie. Une étude hydraulique a été tout d’abord réalisée et a permis de mieux appréhender la dynamique des déversements via les déversoirs d’orage (DO) en fonction de la nature des évènements pluvieux. D’autre part, la caractérisation physico chimique des eaux usées (matières en suspension ou MES, demande chimique en oxygène ou DCO, métaux, hydrocarbures aromatiques polycycliques) a mis en évidence que pour l’ensemble de ces paramètres, une nette augmentation des flux par temps de pluie était observée en particulier en début d’événement (augmentation d’un facteur de 2 à 10). Ce phénomène s’explique par l’apport de polluant par les eaux de ruissellement et l’érosion des dépôts accumulés par temps sec dans les réseaux. Seul l’azote total se comporte différemment puisqu’il est majoritairement présent sous forme dissoute. Afin de mieux appréhender la dynamique des paramètres polluants réglementaires (MES, DCO et azote), un suivi haute fréquence (au pas de temps de cinq minutes) a été mis en place durant un an à l’aide de sondes de turbidité et de conductivité. Ce suivi en continu constitue la troisième partie de ce travail. Des corrélations (r² ≈ 0,9) ont été établies entre d’une part, les paramètres polluants DCO et MES, et la turbidité et d’autre part, entre la conductivité et l’azote total. Ces enregistrements ont permis une meilleure compréhension du fonctionnement du système d’assainissement : mise en évidence du phénomène de first flush, estimation des flux polluants déversés via les DO, étude des phénomènes de stockage dans les réseaux. La dernière partie de cette thèse vise à l’étude de la contribution des rejets d’assainissement dans le milieu récepteur. Elle a permis de démontrer la contribution modérée du rejet de sortie de STEP (entre 1 et 15 %) par temps sec. Par temps de pluie, la contribution du système d’assainissement via les DO est extrêmement variable suivant les conditions hydro-climatiques (de < 1 % à plus de 50 %). Ce travail a permis d’une part d’apporter des résultats utilisables par le gestionnaire de l’assainissement pour optimiser la gestion des eaux usées de la CDAPP. D’autre part, ce travail apporte des résultats plus fondamentaux relatifs à une meilleure connaissance de la dynamique hydrologique et physicochimique des eaux résiduaires urbaines et des polluants associés tels que la mise en évidence, à l’aide d’outils statistiques, des paramètres influençant les déversements et les concentrations en polluants par temps de pluie. / Optimization of sewer system and reduction of untreated wastewater discharges has become a key issue for many communities in order to achieve the good quality of aquatic environments set by the European Framework Directive (WFD 2000/60/EC). For this, a perfect knowledge of sanitation is required. The objective of this thesis, funded by CDAPP and Adour Garonne Water Agency, was the study of the dynamics of the CDAPP sanitation and its contribution to the pollutants fluxes in the receiving environment (the river Gave de Pau). The first step of the work was devoted to the hydraulic and physicochemical wastewater characterization during dry and wet weather. A hydraulic study was first carried and helped to better understand the dynamics of discharges through the combined sewer overflow (CSO) according to the rainfall events characteristics. On the other hand, the physico-chemical characterization of wastewater (suspended solids or TSS, chemical oxygen demand or COD, metals, polycyclic aromatic hydrocarbons) showed that for all these parameters, a clear increase of pollutant fluxes was observed at the beginning of the rainfall event (increase by a factor of 2 to 10). This phenomenon is explained by the runoff contribution and erosion of sediments accumulated in the networks during dry weather periods. Only total nitrogen behaves differently because it’s mostly dissolved. To better understand the dynamics of pollutants parameters (TSS, COD and nitrogen), high frequency monitoring (every five minutes) has been established for one year with turbidity and conductivity sensors. This continuous monitoring is the third part of this work. Correlation functions (r² ≈ 0.9) were found between, the pollutant parameters COD and TSS, and turbidity, and secondly, between conductivity and total nitrogen. These records allowed a better understanding of sanitation system: highlighting the first flush phenomenon, estimation of pollutant loads discharged by CSO, study of storage networks phenomenon. The last part of this thesis aims to study the contribution of wastewater discharges to the receiving environment. It demonstrated the moderate contribution of rejection output STEP (between 1% and 15%) in dry weather. In rainy weather, the contribution of sanitation through CSO is extremely variable depending on the hydro-climatic conditions (<1% to over than 50%). This work has led to provide usable results for the sanitation manager to optimize CDAPP wastewater treatment. Moreover, this work provides most fundamental results for a better understanding of the hydrological and physicochemical dynamics of urban wastewater and associated pollutants such as highlighting, using statistical tools, the parameters influencing pollutant concentrations during rainfall events.

L’évaluation du débit en réseaux hydrauliques à surface libre est une problématique actuelle sur le plan scientifique, à forts enjeux technologiques, économiques et écologiques. Dans cette thèse, de nouvelles méthodologies d’instrumentation, basées sur une synergie entre mesures non intrusives de hauteur d’eau et modélisation numérique ont été développées. Celles-ci s’appliquent d’une part à des collecteurs dont le fonctionnement hydraulique est complexe et, d’autre part, à des ouvrages non-standard (Venturi, déversoirs d’orage). Ce travail de thèse multidisciplinaire vise une meilleure compréhension de l’écoulement pour en déduire des relations Q=f(hi) plus robustes, spécifiques à chaque site et associées à leurs incertitudes; mais également l’identification de possibles modifications du site de mesure afin d’améliorer l’estimation du débit. Au final, l’applicabilité des méthodologies développées a été éprouvée au travers de plusieurs études sur sites réels. / The evaluation of the flow rate in free surface water systems is a current scientific problem, related to high technological, economical and ecological issues. In this study, new methods of instrumentation based on a synergy between non-intrusive water level measurements and numerical modeling have been developed. These methods are applied first to sewer pipes with complex hydraulic conditions then to non-standard hydraulic structures (Venturi flumes, Combined Sewer Overflows). This multidisciplinary work aims at a better understanding of the flow to identify more robust site-specific Q=f(hi) relationships related to their uncertainties. It also aims at the identification of possible modification of the measurement site in order to improve the flow rate evaluation. Finally, the applicability of the developed methodologies has been tested through several real site studies.

Ces travaux s'intéressent à l'estimation de la fiabilité des évacuateurs de crues vannés. Le comportement fiabilistes de ces systèmes hydrauliques dépend à la fois d'événements aléatoires discrets, mais aussi de l'évolution d'une variable déterministe continue : ce sont des systèmes dynamiques hybrides. Pour ces systèmes, l'événement redouté est réalisé lorsque le niveau de la retenue atteint un seuil de sûreté. La démarche de fiabilité dynamique proposée dans cette thèse vise à prendre en compte l’information temporelle de la modélisation à la synthèse d'indicateurs fiabilistes pour l'aide à la décision et développe deux contributions :1) L'élaboration d'une base de connaissances dédiée à la description des évacuateurs de crue en termes de fiabilité dynamique. Chaque classe de composants est décrite par un automate stochastique hybride dont les états sont les différentes phases de son fonctionnement. 2) Le suivi de la simulation de Monte Carlo et le traitement et l'analyse des "histoires" (séquence de tous les états activés et des dates d'activation) obtenues en simulation pour construire des indicateurs de fiabilité classique (probabilité d'occurrence de l'évènement redouté, identification des coupes équivalentes prépondérantes, ...). Des indicateurs de fiabilité dynamique basés sur la classification des histoires en fonction des dates de défaillance des composants concernés et sur l'estimation de l'importance dynamique sont aussi proposés / Hydraulic systems are hybrid dynamic systems whose evolution is a combination between discrete stochastic events on the one hand and continuous deterministic phenomena on the other hand. The undesired event is achieved when the dam level reaches a security threshold. In the frame of gated spillways dynamic reliability, the proposed methodology takes into account the temporal information during modeling and synthesis of reliability indicators for decision support.The first contribution of this work is the development of a knowledge base to describe a class of systems. Each component is described by a stochastic hybrid automaton whose states are the different working modes.The second contribution is Monte Carlo simulation monitoring and treatment results. A story is the sequence of all activated states and activation dates during the algorithm passage for a simulation. The analysis of results provides classical reliability indicators, such as the time evolution of the undesired event probability or the identification of predominant equivalent cuts. Our predictive approach is based on stories classification depending on components failure dates, then dynamic importance is assessed

Ces travaux s'intéressent à l'estimation de la fiabilité des évacuateurs de crues vannés. Le comportement fiabiliste de ces systèmes hydrauliques dépend à la fois d'événements aléatoires discrets, mais aussi de l'évolution d'une variable déterministe continue : ce sont des systèmes dynamiques hybrides. Pour ces systèmes, l'événement redouté est réalisé lorsque le niveau de la retenue atteint un seuil de sûreté. La démarche de fiabilité dynamique proposée dans cette thèse vise à prendre en compte l'information temporelle, de la modélisation à la synthèse d'indicateurs fiabilistes pour l'aide à la décision et développe deux contributions : 1) L'élaboration d'une base de connaissances dédiée à la description des évacuateurs de crues en termes de fiabilité dynamique. Chaque classe de composants est décrite par un automate stochastique hybride dont les états sont les différentes phases de son fonctionnement. 2) Le suivi de la simulation de Monte Carlo, le traitement et l'analyse des "histoires" (séquence de tous les états activés et des dates d'activation) obtenues en simulation. Cela permet de construire des indicateurs de fiabilité classique (probabilité d'occurrence de l'évènement redouté, identification des coupes équivalentes prépondérantes, ...). Des indicateurs de fiabilité dynamique basés sur la classification des histoires en fonction des dates de défaillance des composants concernés et sur l'estimation de l'importance dynamique sont aussi proposés.