Malgré leurs mauvaises performances, les modèles de calcul de flux polluants (MCFP) dans les rejets urbains de temps de pluie (RUTP) continuent à susciter de l’intérêt du fait du fort potentiel qu’ils présentent pour prédire et contrôler ces RUTP. La contribution des sédiments à la pollution des RUTP est aujourd’hui largement reconnue comme prépondérante ; en conséquence, une modélisation idoine des processus en réseau apparait comme un élément clé pour améliorer la qualité de ces modèles. Dans ce contexte, plusieurs éléments ont été révélés par des études récentes menées sur les dépôts de réseaux d’assainissement unitaires, notamment sur « Le Marais » : (1) la présence d’une quantité importante de dépôts grossiers quasi-stationnaires qui modifient les caractéristiques du réseau ainsi que les conditions d'écoulement ; (2) l'identification d’un dépôt organique cohésif sur le Marais, la couche organique, capable d’expliquer la contribution du réseau à la pollution de RUTP et qui se constitue dans les parties amonts des collecteurs principaux. L’objectif de cette thèse est d’examiner l’effet de l’intégration de ces observations dans un MCFP de type semi-distribué, en prenant comme cas d’étude le site expérimental du Marais.Dans la première partie, on a travaillé à la prise en compte des dépôts grossiers dans le modèle hydrodynamique, puis on a évalué l’impact de cet ajout sur les processus de transport solide dans les réseaux. Pour y parvenir, un outil de modélisation capable de gérer l’écoulement sur une bathymétrie complexe était nécessaire. Ainsi, un schéma numérique conservatif de type Godounov a été développé et validé par rapport à certains cas de référence, avant de l’appliquer à l'échelle du réseau du Marais. Les résultats ont démontré un effet significatif de ces dépôts grossiers sur l’hydraulique du réseau, qui ensuite influence la production des particules et, dans une moindre mesure, le processus de transfert.Dans la deuxième partie, des données acquises récemment sur plusieurs sites avec des contributions de dépôts aux RUTP comparables et d’états d’encrassement différents (notamment pour la couche organique) ont été analysées dans le but d’identifier le vrai rôle de cette couche organique vis-à-vis de la production en réseau par temps de pluie. Les résultats ont montré que la couche organique ne représente qu’une source mineure vis-à-vis de la production en réseau. Afin d’identifier la source majeure, le modèle hydraulique développé dans la première partie a été couplé avec le modèle d’érosion de Skipworth et le modèle d’advection simple pour tester différents scenarii de localisation de dépôts. Les résultats de ce banc d’essai sont cohérents avec ce qui précède concernant la contribution de la couche organique ; il en ressort par ailleurs que les localisations les plus vraisemblables de la source prépondérante sont, dans l’ordre, le réseau amont et les collecteurs principaux / Despite their disappointing performance, urban stormwater quality models are still considered to be a potentially efficient decision making tool to control combined sewer overflows (CSOs) and thus are receiving ongoing investments to improve their quality. In this respect, in-sewer sediments are now widely recognized for their preponderant contribution to the pollution of CSOs assigning therefore a particular importance to mastering sewer processes module when refining these models. Recent studies conducted on in-sewer sediments in one of the extensively investigated urban catchments in Paris, Le Marais, highlighted new elements that could be helpful when addressing this module: (1) the existence of quasi-steady sewer grits deforming sewer characteristics and thus suspected to modify sewer flow conditions; (2) the identification of the potentially eroded sediment type during wet weather that is formed at the upstream parts of the Marais main trunks, the organic layer, that showed a cohesive like characteristic during in-situ flushing experiments. A site specific model for the Marais catchment is developed in this thesis adopting a semi-distributed configuration to examine the effect of integrating these field observations in its structure on the simulation of outfall discharges’ quality.In the first part, an evaluation of the impact of considering the sewer grits in the hydrodynamic module on the solid production and transfer processes in sewer system was carried out. To do so, a special modelling tool was necessary in order to handle sewer flow over a complex bathymetry. So, a well-balanced Godunov numerical scheme was developed and verified against some reference test cases before being extended to the Marais sewer scale. Results showed a significant impact of these coarse deposits on the hydraulic parameters. Solid production was demonstrated to be more sensible to this impact than the transfer processes.In the second place, previous findings obtained on combined sewer systems having no organic layer and high sewer contribution along with those obtained on the Marais were deeply investigated to identify the real role of this organic layer in sewer wet weather production. Results showed that this latter is only a minor source for wet weather erosion. To identify the major source, a quality module based on Skipworth erosion formulation and simple advection equation was used to test several scenarios of sewer sediment localization. The benchmark confirmed that the organic layer is not the major source of sewer production and that another source is preponderant and that can be located at the upstream branches as well as along the principal collectors with more probability of the former case

L’objectif de ce travail de thèse est de démontrer qu’il est possible d’utiliser des mesures en continu de turbidité pour suivre la pollution particulaire dans les réseaux d’assainissement et d’évaluer l’apport de ces mesures pour la gestion des réseaux en temps réel ou en temps différé. Dans une première partie, la mise en oeuvre de la mesure en continu de turbidité est décrite. Les éléments principaux contribuant à l’incertitude sont identifiés et des méthodes de calcul des incertitudes adaptées sont proposées. Les questions de fiabilité et de représentativité de la mesure de turbidité sont traitées et aboutissent à des solutions d’installation des sondes in situ et à des protocoles de suivi et de maintenance. Enfin, les perturbations affectant le signal sont quantifiées et des méthodes de filtrage sont comparées. La deuxième partie est consacrée à l’analyse du comportement de la turbidité à partir des données acquises sur deux sites du réseau unitaire parisien en 2006. 80 événements pluvieux sont décrits par leurs concentrations moyennes et maximales et par leurs courbes de distribution masse/volume. Ces critères ont été intégrés dans des typologies qui ont ensuite été mises en relation avec des paramètres de débit et de durée de temps sec ayant précédé l’événement. Cette analyse permet de caractériser la variabilité de façon détaillée. La variabilité de la décantabilité des particules a été également étudiée à partir de données provenant de bassins de décantation. Enfin, deux applications sont proposées. La première est une évaluation en temps différé de flux de polluants. Deux modes d’exploitation de prélèvements d’échantillons réalisés sur un nombre fixé d’événements pluvieux sont comparés. L’un n’utilise que les résultats d’analyses des échantillons au laboratoire pour établir une concentration moyenne. L’autre utilise les prélèvements pour établir des relations entre turbidité et paramètres polluants, ensuite appliquées à des mesures en continu de turbidité. Une seconde série d’applications porte sur l’utilisation de la turbidité pour la gestion en temps réel des flux. Deux configurations-types génériques ont été étudiées. Pour chacune, une stratégie utilisant seulement le débit est comparée à une stratégie utilisant turbidité et débit. Les simulations sont effectuées pour de larges gammes de paramétrage des configurations et avec des données réelles de débit et de turbidité en entrée du système. Pour les applications d’évaluation de flux comme de gestion en temps réel, le gain apporté par la turbidité est chiffré et s’avère significatif / The purpose of this thesis is to prove the usefulness of continuous turbidity measurements for the monitoring of particulate pollution in combined sewer systems, and assess the contribution of these measurements to real-time and lagged control of sewer systems. In the first part, the implementation of continuous turbidity measurements is described. The main uncertainties components are identified and appropriate calculation methods for the uncertainties are proposed. The issues of reliability and representativeness of turbidity measurements are treated and lead to solutions for the in situ installation of turbidimeters and the definition of proper monitoring and maintenance protocols. Finally, the noise which disturbs turbidity measurements is quantified, and filtering methods are compared. The second part is devoted to the analysis of turbidity behaviour, drawing from data monitored on two sites in the combined sewer of Paris in 2006. Eighty rain events are described by their mean and maximum concentrations and by their mass/volume distribution curves. These criteria are used to define typologies, which are then linked to flow parameters and to the antecedent dry weather period of the event. This analysis leads to a detailed description of variability. The variability of the settling characteristics of the particles was also studied using data coming from sedimentation tank. Finally two applications are developed. The first is an assessment of lagged pollutant loads. Two methods for exploiting samples taken during a fixed number of rain events are compared. The first method only uses the results of sample analysis to establish an average concentration. The second method uses samples to calibrate relationships between turbidity and pollutant parameters, which are then applied to continuous turbidity measurements. Another group of applications deals with the use of turbidity for real time control of pollutants flows. Two kinds of configuration were studied. For each one, a strategy only using flow data is compared with a strategy using turbidity and flow data. Simulations are performed for a wide range of configuration parameters with real flow and turbidity data at the entrance of the system. For the application of assessment of pollutants flow as well as for real time control applications, the improvement brought by turbidity was assessed and proved to be significant

L'objectif de ce travail de thèse est de démontrer qu'il est possible d'utiliser des mesures en continu de turbidité pour suivre la pollution particulaire dans les réseaux d'assainissement et d'évaluer l'apport de ces mesures pour la gestion des réseaux en temps réel ou en temps différé. Dans une première partie, la mise en oeuvre de la mesure en continu de turbidité est décrite. Les éléments principaux contribuant à l'incertitude sont identifiés et des méthodes de calcul des incertitudes adaptées sont proposées. Les questions de fiabilité et de représentativité de la mesure de turbidité sont traitées et aboutissent à des solutions d'installation des sondes in situ et à des protocoles de suivi et de maintenance. Enfin, les perturbations affectant le signal sont quantifiées et des méthodes de filtrage sont comparées. La deuxième partie est consacrée à l'analyse du comportement de la turbidité à partir des données acquises sur deux sites du réseau unitaire parisien en 2006. 80 événements pluvieux sont décrits par leurs concentrations moyennes et maximales et par leurs courbes de distribution masse/volume. Ces critères ont été intégrés dans des typologies qui ont ensuite été mises en relation avec des paramètres de débit et de durée de temps sec ayant précédé l'événement. Cette analyse permet de caractériser la variabilité de façon détaillée. La variabilité de la décantabilité des particules a été également étudiée à partir de données provenant de bassins de décantation. Enfin, deux applications sont proposées. La première est une évaluation en temps différé de flux de polluants. Deux modes d'exploitation de prélèvements d'échantillons réalisés sur un nombre fixé d'événements pluvieux sont comparés. L'un n'utilise que les résultats d'analyses des échantillons au laboratoire pour établir une concentration moyenne. L'autre utilise les prélèvements pour établir des relations entre turbidité et paramètres polluants, ensuite appliquées à des mesures en continu de turbidité. Une seconde série d'applications porte sur l'utilisation de la turbidité pour la gestion en temps réel des flux. Deux configurations-types génériques ont été étudiées. Pour chacune, une stratégie utilisant seulement le débit est comparée à une stratégie utilisant turbidité et débit. Les simulations sont effectuées pour de larges gammes de paramétrage des configurations et avec des données réelles de débit et de turbidité en entrée du système. Pour les applications d'évaluation de flux comme de gestion en temps réel, le gain apporté par la turbidité est chiffré et s'avère significatif

La réduction de la pollution des eaux pluviales urbaines est un jeu environnement majeur depuis une trentaine d'années. Des rejets urbains divers sont transportés dans la ville via le cycle de l'eau pour rejoindre le milieu naturel. Le développement de la connaissance et de la compréhension des processus physico-chimiques mis en jeu lors du transport de différents polluants sont indispensables pour une meilleure gestion du traitement des eaux pluviales (en amont comme en aval). Dans le but de caractériser et de comprendre le transport et l'évolution des formes chimiques des métaux traces en milieu urbain, deux programmes de recherche se sont associés: le "Bassin Versant Urbain Expérimental" et le "PIREN-Seine". Un bassin versant expérimental a été choisi et équipé dans le quartier du Marais à Paris afin d'étudier le transfert de la pollution métallique depuis l'atmosphère jusqu'à l'exutoire, par temps sec et par temps de pluie. Ce bassin versant de 42 hectares, imperméabilisé à 90 % et dont les eaux sont drainées par un réseau d'assainissement unitaire, est caractéristique d'un centre ville ancien. Son réseau de collecte à plusieurs niveaux du cycle de l'eau (atmosphère, toitures, cours internes, chaussées, exutoire) est unique en son genre. Les métaux traces ont été étudiés de Mai 1996 à octobre 1997, période pendant laquelle 20 événements pluvieux ont été interceptés. Les concentrations totales et dissoutes, les teneurs, les répartitions entre les phases dissoute et particulaire et les flux de cadmium, de cuivre, de plomb et de zinc présentent une évolution significative entre l'amont et l'aval de ce bassin versant ainsi qu'une variabilité importante. Au niveau du compartiment atmosphérique, les métaux traces sont principalement déposés par voie sèche (de l'ordre de 80 %) et sont transportés par la pluie sous forme dissoute (de 65 à 95 %). La nature et les caractéristiques de chaque surface urbaine influent sur la charge métallique des eaux ruisselées. Les eaux de ruissellement des toitures présentent les concentrations métalliques totales les plus élevées du bassin versant étudié: elles sont fortement contaminées du fait d'une dissolution partielle des matériaux du toit et de la descente de gouttière due à l'acidité de la pluie. A l'exutoire du bassin verant, après transport dans le réseau d'assainissement, les concentrations métalliques totales diminuent par rapport à celles mesurés dans les eaux du ruissellement des toitures et la forme métallique particulaire devient majoritaire (de l'ordre de 90 %). Ce phénomène s'accompagne d'une stabilisation des formes métalliques et tend ainsi à diminuer ainsi la bio-disponibilité des métaux particulaires en aval de e bassin versant. A l'échelle de l'événement pluvial, les eaux de ruissellement sont la principale source de métaux sur ce bassin versant. Les bilans de masses entrées / sortie (métaux dissous et particulaires) démontrent que le réseau d'assainissement est un lieu où se produisent des processus physico-chimiques nombreux et rapides. La pluie provoque l'érosion d'une fraction des dépôts constitués dans les collecteurs et contribue ainsi à la pollution métallique globale mesurée en aval du bassin versant. D'autres par, une fraction de ces mêmes dépôts, que nous n'avons pu encore identifier, se comporte comme un puits à métaux traces. Des réactions d'absorption, de précipitation ou encore de complexation sur les particules en suspension ou les stocks eux-mêmes pourraient expliquer ce phénomène. (Résumé de l'auteur)

Résumé L’accumulation de sédiments sur le fond des égouts à faible pente est une contrainte au bon fonctionnement hydraulique et à la gestion des réseaux d’assainissement unitaire. Le recours à la chasse hydraulique est alors une pratique envisagée par les gestionnaires de réseau pour le nettoyage des canaux souterrains. Les processus de transport sédimentaire dans les réseaux d’assainissement unitaire est rendu complexe en raison du jeu de nombreux phénomènes tels que la variabilité de l’étendue granulométrique des sédiments et la cohésion. La thèse présente les résultats expérimentaux et numériques obtenus avant et après une chasse hydraulique réalisée dans le réseau unitaire parisien. Une campagne de mesures a permis d’acquérir des données hydro-sédimentaires à haute résolution, permettant de caractériser et quantifier les processus d’érosion, de transport et de sédimentation agissant sous l’effet de la chasse hydraulique, du reste performante dans le nettoyage du réseau étudié. Deux modèles de transport sédimentaire comportant un modèle simple en condition de transport uniforme, et un modèle plus complexe impliquant le transport non-uniforme ont été développés afin de mettre en place un outil prédictif des mouvements des particules solides pendant le phénomène de chasse. Les deux modèles ont été capables d’évaluer à différents niveaux de précision l’efficacité de la chasse hydraulique en termes de transport sédimentaire. La comparaison des résultats issus des deux modèles permet de déterminer les avantages et les contraintes de chacun, révélant ainsi l’importance de prendre en compte l’hétérogénéité texturale des dépôts dans l’analyse de l’érosion, du transport et de la sédimentation des particules solides sous l’effet des chasses hydrauliques. De plus, une analyse de sensibilité de la gamme d’application de certains paramètres d’entrée du modèle de transport non-uniforme des sédiments a été réalisée. Les résultats ont confirmé le bon fonctionnement du modèle. / Sediment accumulation on the invert of sewer channels has been recognized as one of the important sources of problems for the management of sewer networks.In the two most recent decades, flushing has been put forward as one of the most common methods of sewer cleaning, to limit sediment accumulation especially in large trunk sewers.Sewer sediment transport processes are not fully understood yet, due to numerous unknown variables and difficult measuring conditions. The current research aimed firstly to setup a field experimental campaign to obtain high-quality data. This data allowed understanding of the processes associated with flushing operation in sewers. In addition, this study aimed to model the flushing processes properly in order to set-up an adequate and practical numerical tool able to predict sediment removal of flushing in the sewer network of Paris. To this purpose, two models were used: (i) a simple model for uniform sediment transport, which is the most common used approach; and (ii) a more complex model for non-uniform sediment transport of mixtures. A comparative analysis was carried out to highlight advantages and drawbacks of either. Overall, the results pointed out that the numerical modelling is able to reproduce faithfully hydrodynamics and sediment transport during flushing operations. In fact, both models enabled evaluation of flush behaviour and associated sediment transport. However, despite its higher complexity and computational burden, the latter model provides better insight into the prediction of the removal effectiveness of flushes