La glace de rive est un des nombreux processus de formation des couverts de glace sur les rivières. Cependant peu d’articles dans la littérature traitent de ce sujet malgré que la formation de la glace de rive peut-être un précurseur de l’apparition d’embâcles qui peuvent entrainer des inondations. Ce mémoire de Maitrise porte sur l’étude de la glace de rive le long de la portion du fleuve Saint-Laurent allant de Montréal à Québec. Du fait qu’il y a de la navigation commerciale toute l’année, le fleuve reste ouvert (libre d’un couvert de glace entier) artificiellement pendant tout l’hiver. Ce trafic limite aussi l’extension de la glace de rive. Cette étude fournit des informations clés sur la formation et la désagrégation de la glace de rive. À partir des données historiques d’Environnement Canada (cartes des glaces de 2004 à 2009), la répartition superficielle de la glace de rive est analysée pour les périodes de formation, de stabilité et de rupture de la glace. Les informations historiques sur les couvertures de glace sont collectées afin de déterminer les paramètres qui influencent la formation et les limites spatiales de ce type de glace. Les taux de croissance et de décomposition de la glace de rive sont aussi abordés. Il est montré que l’évolution de la structure propre à la couverture de la glace de rive se fait en trois étapes. Une période de formation rapide (début hiver), suivie d’une période stable (milieu d’hiver) et enfin une période de rupture (pendant le moi de mars). Pendant la période stable, la glace de rive se rompt partiellement parfois lorsque la température de l’air monte au dessus de zéro °C et surtout lorsque le redoux est accompagné de pluie. Il a été trouvé aussi que les limites spatiales maximales des glaces de rive sont très semblables sur 5 hivers de la période d’étude. À partir de l’analyse des cartes des glaces, un certain nombre de relations empiriques sont proposées. Ces relations caractérisent la formation et la désagrégation des glaces de rive. Le long de la direction de l’écoulement la glace de rive est formée facilement en présence d’obstacles, et particulièrement lorsqu’elles sont à l’extrémité aval. Parmi ces obstacles on peut citer les méandres de rivière, les bancs, les estacades, les iles artificielles, les piliers de ponts. Ainsi, les obstacles influencent la vitesse d’écoulement qui est un paramètre important dans la formation de la glace et peut aussi effectuer un apport d’objets sur lesquels la glace peut s’attacher et initier son accroissement. En moyenne la glace de rive atteint 20% de sa couverture maximale lorsque son le nombre de degrés jours accumulés (DJA) atteint 124 °C-j. Ceci est suivi d’une période d’accroissement rapide qui prend fin lorsque la couverture de glace atteint 80% de son maximum qui correspond à un DJA de 247 °C-j. La couverture de glace de rive atteint son maximum lorsque le DJA atteint 551 °C-j; ce qui correspond normalement à la période de fin janvier. La période d’hiver est caractérisée par une couverture de glace stable (supérieure à 90% de son maximum) en amont de Trois-Rivières, sauf pendant les périodes de dégel mi hivernales. À l’aval de Trois-Rivières, il n’y a pas de période stable, vu que la désagrégation commence très tôt après que la glace ait cru à son étendu maximal. La rupture est un processus graduel qui normalement commence vers le 15 février en aval de Trois-Rivières et vers le premier mars en amont. La grande majorité de la glace disparait généralement avant le 31 mars. Par ailleurs, la vitesse d’écoulement de la rivière, ainsi que sa profondeur et son nombre de Froude le long des limites de la glace de rive sont évalués. Ceci dans la condition où la glace de rive a atteint sa répartition superficielle maximale. La vitesse est presque toujours inférieure à 1 m/s, le nombre de Froude maximal est normalement de 0,1 au dans le Lac St Pierre et de 0,2 sur le tronçon Montréal-Sorel. La profondeur de la rivière à la limite de la glace peut varier largement. À partir d’une modélisation numérique, il a été calculé que la glace de rive cause une augmentation de la vitesse de 0,1 m/s dans le chenal maritime du Lac St Pierre et du niveau d’eau de 14 cm dans le tronçon Montréal-Sorel. / Border ice is one of many ice freeze-up processes, but it is discussed only to a limited extent in the literature. Border ice formation can be a precursor for ice jam formation that may restrict navigation and lead to flooding. This master’s thesis is mainly devoted to the research on the border ice on the Saint Lawrence River from Montréal to Québec City. This reach stays artificially open all winter because commercial ships are continuously preventing a full ice cover to form. The traffic also limits the extent of border ice. This study provides key information on ice formation and decay. Through analysis of Environment Canada’s historical data (ice charts from 2004 to 2009), the areal coverage of border ice is analyzed during freeze-up, winter and breakup periods. The historical information of ice coverage is collected in order to find out the factors which influence its formation and its spatial limits. Border ice growth and decay rates are also discussed. The thesis shows that border ice coverage has three stages including the rapid growth period at the beginning of the winter, the relatively stable period in the mid-winter and the breakup period as March progresses. During the mid-winter period, the border ice coverage sometimes drops sharply if the air temperature rises above 0 °C and/or if there is some rain. It was also found that the maximum border ice spatial limits are quite similar over the five winter seasons. Based on the analysis of the ice charts, a number of empirical laws regarding the formation and decay of border ice are proposed. Along the river flowing direction, the border ice is formed easily when there are obstacles particularly at the downstream end. The obstacles could include river bends, ice booms, shoals, artificial islands, bridge piers and so on. Thus, the obstacle influences the flow velocity, which is an important factor for ice formation and also provides an object against which the ice can become fast and initiate its formation. On average, border ice reaches 20% of its maximum coverage when the accumulated freezing degree days (AFDD) reaches 124 °C-D. This is followed by a rapid growth period that ends when the ice cover reaches about 80% of its maximum cover corresponding to AFDD equal to 247 °C-D. Border ice coverage usually reaches the maximum value when the average AFDD is 551 °C-D corresponding to the end of January. The winter period is characterised by a stable ice cover (> 90% of max) upstream of Trois-Rivières except in the event of a mid-winter thaw. Downstream of Trois-Rivières there is no stable period as the decay begins very soon after the ice reaches its maximum value. Breakup is a gradual process that normally begins on about Feb. 15th downstream of Trois- Rivières and about March 1st upstream. Most ice has normally gone by March 31st. Moreover, the river flow velocity, river depth and Froude number along the limits of border ice once it reaches its maximal areal coverage are evaluated and analyzed. The flow velocity is almost always less than 1.0 m/s; the maximum Froude number is normally 0.1 at Lake Saint-Pierre and 0.2 in the Montréal to Sorel reach; river depth at the ice edge can vary widely. Through numerical modelling, it was found that border ice increased the current velocity by 0.1 m/s in the Lake Saint-Pierre reach and raised water levels by 14 cm in the Montréal to Sorel reach.

La modélisation du fonctionnement des stations d'épuration est un outil largement utilisé notamment pour l'optimisation et la réhabilitation des ouvrages existants et le dimensionnement de nouvelles installations, par les ingénieurs et par les chercheurs. S'assurer d'une bonne qualité des modèles est donc primordial. Or, d'après les résultats d'une enquête internationale effectuée auprès de 96 utilisateurs potentiels de modèles, deux étapes dans l’utilisation des modèles sont considérées comme particulièrement délicates: le choix du modèle à utiliser parmi les modèles disponibles et l'étape de calage de ces modèles. Le travail présenté visait à fournir des éléments pour lever des obstacles à une utilisation plus généralisée des modèles biocinétiques à boues activées. Il a porté sur sept des modèles publiés : (1) ASM1, (2) ASM2d, (3) ASM3, (4) ASM3+BioP, (5) ASM2d+TUD, (6) Barker & Dold et (7) UCTPHO+. Dans un premier temps, une analyse des connaissances pratiques des modèles a été effectuée afin d'améliorer le transfert des connaissances en modélisation. Une base de données de jeux de paramètres a été créée à partir d'études publiées et d'un questionnaire adressé aux utilisateurs de modèles. Cette base de données a notamment permis d'établir des fourchettes de valeurs utilisées pour l'ASM1 et l'ASM2d. Puis, une analyse des connaissances théoriques ayant pour but d'aider les utilisateurs à mieux comprendre les sept modèles et à choisir le modèle adapté à leur projet a été réalisée. Les modèles étudiés ont d'abord été vérifiés et les erreurs de frappe et incohérences ont été corrigées. Les concepts de modélisation ont été comparés entre eux grâce à une nouvelle représentation graphique, et confrontés aux connaissances sur le fonctionnement biologique des boues activées afin de mettre en évidence les limites théoriques des modèles. En dernier lieu, une méthodologie a été développée pour l'obtention de jeux de paramètres par défaut qui pourraient être utilisés comme valeurs initiales lors du calage des modèles. Pour cela, une procédure de calage multi-jeux de données a été élaborée. Cela nécessite au préalable le développement d'une procédure de calage automatisée et l'utilisation d'un critère de qualité permettant de définir l'arrêt de la procédure de calage. Une analyse est effectuée sur les critères de qualité utilisés en sciences de l'environnement. / Mathematical modelling of activated sludge systems has become a widely accepted tool and is used in particular for optimization and upgrading of existing plants and for new facilities design, either by engineering and consulting companies, or university and research centers. Ensuring the adequate quality of modelling results is therefore essential. However, an international survey conducted among 96 potential users of activated sludge models (ASM) pointing to two main obstacles to the use of modelling: the selection of the model to use among the available models and the model calibration. The objective of this work was to provide elements to overcome these obstacles and to promote the wider use of biokinetic models for activated sludge systems. It focused on seven published models: (1) ASM1, (2) ASM2d, (3) ASM3, (4) ASM3+BioP, (5) ASM2d+TUD, (6) Barker & Dold and (7) UCTPHO+. First, an analysis of practical knowledge on the models was performed to improve the transfer of modelling knowledge. A database of practical modelling applications from published case studies and from the answers of a questionnaire sent to model users was created. This database enables to establish ranges of parameter values commonly used for the ASM1 and ASM2d. Then the theoretical knowledge on ASMs was analysed to help users to better understand the seven studied models and to select the model most appropriate to their project. The studied models were first verified and typing errors and inconsistencies have been corrected. The modelling concepts were compared to each other through a new graphical representation, and confronted with knowledge about the biology of activated sludge, in order to highlight the theoretical limits of each model. Finally, a methodology has been developed to obtain default parameter values that could be used as initial values for model calibration. To this end, an automated calibration procedure that allows calibration on multiple data sets was proposed. Then, the quality criteria used in environmental sciences have been synthesised. These criteria are required to determine the best set of parameters based on the goodness-of-fit of the model and to compare results from different models.

Ce document défend la thèse selon laquelle les prévisions hydrologiques d'ensemble possèdent une utilité opérationnelle supérieure à celle de leur contrepartie déterministe, autant dans le cas des prévisions basées sur des réseaux de neurones que pour des prévisions provenant d'un modèle hydrologique physique couplé à des prévisions météorologiques d'ensemble. Pour ce faire, deux séries de prévisions hydrologiques d'ensemble sont produites. La première série exploite un ensemble de réseaux de neurones tandis que la deuxième série provient du modèle hydrologique physique HYDROTEL auquel sont fournies des prévisions météorologiques d'ensemble issues de deux modèles atmosphériques développés par Environnement Canada. Puisque la simplicité de mise en oeuvre des réseaux de neurones de type perceptron multicouches le permet, ceux-ci sont testés sur six bassins versants. Les prévisions provenant du modèle HYDROTEL, quant à elles, concernent uniquement le bassin versant de la rivière Gatineau, qui comporte plusieurs ouvrages de production hydroélectrique. Cette particularité permet l'étude de la performance économique des prévisions hydrologiques d'ensemble pour la gestion du système. De plus, cette expérience se déroulant en période de crue, on peut démontrer l'intérêt des prévisions d'ensemble pour la prévention des débordements dans ce secteur. Par ailleurs, une comparaison entre les prévisions d'ensemble et les débits observés est effectuée à l'aide de critères de performance spécifiques aux prévisions d'ensemble, tels que le Continuous Ranked Probability Score ainsi que sa décomposition. Cette approche répandue chez les partisans des modèles physiques est toutefois novatrice du point de vue des ensembles neuronaux. Elle permet de démontrer la pertinence de conserver l'intégralité de l'ensemble neuronal plutôt que de l'agréger en une valeur moyenne, puisque l'ensemble offre une performance prévisionnelle supérieure. VI L'analyse des prévisions brutes, toute provenance confondue, révèle la présence d'un biais ainsi qu'une sous-estimation de l'incertitude (sous-dispersion) importante. Consé-quemment, quatre méthodes de post-traitement des prévisions sont appliquées et comparées. Ces méthodes, majoritairement basées sur une procédure de type noyaux, sont aussi testées sur deux jeux de prévisions d'ensemble synthétiques simples, afin d'effectuer une expérience plus théorique pour laquelle la réponse attendue est connue.

Le présent mémoire est issu d’une collaboration entre le Ministère des Transports du Québec (MTQ) et le Centre de Recherche sur les Infrastructures en Béton (CRIB) de l’Université Laval lors du réaménagement de l’échangeur Dufferin-Montmorency. La démolition de certaines structures dont la vie utile n’était pas à terme a permis de recueillir une grande quantité d’informations sur l’état d’une structure en béton précontraint du réseau autoroutier québécois. Dans le 5ième chapitre, on y regroupe les observations particulières sur les éléments de précontrainte qui sont habituellement inaccessibles pour l’inspection. Dans le 7ième chapitre, on propose une classification des conditions d’exposition des divers éléments structuraux investigués ainsi qu’une technique numérique pour la prédiction du temps nécessaire avant l’initiation de la corrosion. Les 8ième et 9ième chapitres regroupent les discussions sur l’état de cette structure qui a la particularité d’avoir une portion n’ayant jamais été mise en service. / This work has been possible due to collaboration between the Ministère des Transports du Québec and the Centre de Recherche sur les Infrastructures en Béton de Université Laval at the restructuration of Dufferin-Montmorency overpass. The demolition of structures that haven’t reached their total service life time allowed the production of a great quantity of information on a prestressed structure of the Quebecer road network. In chapter 5, observations on prestressed structures have been grouped. This kind of information is, most of time, unavailable on an existing structure due to impossible inspection. In chapter 7, a classification of different exposure conditions of the inspected structural elements is showed as well as a numerical technique for predicting the time before corrosion starts. The last two chapters relate discussions on the actual state of this structure which is particular because one section has never been exposed to traffic.

Malgré la connaissance limitée qu’on a du frasil, il est probablement le plus important acteur pour les cours d’eau en régions froides dans lesquels la glace se forme. Le frasil est aussi une menace réelle et importante pour les structures hydrauliques et donc, un problème pour les ingénieurs. Des mesures quantitatives du frasil sont vitales afin de mieux comprendre sa dynamique, mais très peu d’études ont porté sur le frasil dans son milieu naturel étant données toutes les difficultés techniques qui y sont associées. Celles-ci sont principalement liées à la grande difficulté de détecter le frasil en rivière. Les cristaux sont très sensibles, ils ne peuvent être maniés et ils évoluent et se transforment rapidement. Cette thèse s’adresse au grand besoin en données de terrain et aussi à améliorer la connaissance sur les interactions entre le frasil, l’hydraulique, l’atmosphère et les autres types de glaces rencontrés en rivière. De nombreuses campagnes d’instrumentation en terrain ont été entreprises et une méthodologie permettant la détection et la mesure du frasil en rivière a été développée. Il a été démontré que les profileurs acoustiques sont très efficaces pour ce faire. À partir de données récoltées durant trois hivers, la quantification du frasil est tentée par trois méthodologies différentes et indépendantes. La théorie de Rouse est appliquée aux profils verticaux de retours acoustiques afin d’estimer un diamètre dominant pour la population de particules de glace détectées. Les théories d’inversion de fréquences, appliquées à plus d’une fréquence à la fois, sont utilisées afin d’estimer les dimensions dominantes et des concentrations de frasil en suspension. Finalement, des approches théoriques et des modèles de transfert de chaleur sont utilisés pour prédire la formation et la croissance du frasil. Les résultats de ces modèles sont comparés avec les mesures. Cette thèse montre que les mesures acoustiques sont très prometteuses afin d’obtenir l’information de base sur le frasil qui n’était pas disponible jusqu’à maintenant. De telles données sont aussi très utiles afin de mieux comprendre comment le frasil est produit en rivière, comment il évolue et comment il interagit avec l’eau et l’atmosphère. / Despite knowing extremely little about it, frazil ice is the most important building block for ice infested waters from which, and upon which, most ice is subsequently formed. Frazil ice is a major engineering threat to river and marine infrastructure. Quantitative measurements of frazil ice are vital to clarifying its dynamics, but very few studies have assessed frazil ice in natural water bodies. This is mainly because detection of frazil ice in the field is very difficult. The ice is sensitive to handling and evolves and transforms rapidly. This thesis addresses the need for field data and also seeks to understand more about frazil ice interactions with hydraulics, the atmosphere and other ice types encountered in rivers. An efficient methodology to detect frazil ice in rivers was developed and tested through multiple field instrumentation campaigns. From field data that were obtained during three winters, quantification of frazil ice was attempted by different independent methodologies. The Rouse theory was applied to vertical acoustic backscatter measurements in order to estimate frazil ice particles’ dominant size. Multi-frequency inversion methods were used and applied to estimate both dominant size and concentration of suspended frazil ice. Theoretical approaches that use heat flux modelling were used to predict frazil ice growth rates. Those modelled values were compared with acoustic measurements. The thesis shows that acoustic measurements are very promising to get basic information about frazil that has not been available until now. Such data are also very useful to gain a better understanding of how frazil ice is produced, under which conditions it evolves and how it interacts with the water and the atmosphere.

L’une des raisons de la dégradation prématurée des routes en Amérique du Nord serait les propriétés mécaniques inadéquates des matériaux. Devant le peu d’informations sur le comportement anisotrope des matériaux granulaires dans la littérature, le service des matériaux d’infrastructure du ministère des Transports du Québec a accepté de soutenir le projet (GE-004-09) qui porte sur la détermination du module réversible des matériaux granulaires utilisés pour construire les fondations des routes. Les études montrent que le module réversible (MR) des sols de chaussée est un paramètre essentiel pour le dimensionnement et l’analyse des chaussées revêtues d’enrobé. Selon la méthode de conception (AASHTO, 2002), les différentes couches de la structure de la chaussée sont choisies et dimensionnées de façon à ce que la couche d’infrastructure reste dans la limite des tolérances des déformations élastiques. Afin de déterminer le MR, des essais triaxiaux et pressiométriques ont été effectués dans les installations du ministère des Transports du Québec. Les essais pressiométriques ont été réalisés dans un moule compacteur, conçu spécialement pour effectuer les essais verticaux et horizontaux. Les résultats obtenus des essais pressiométriques diffèrent de ceux des essais triaxiaux (13 kg de matériau granulaire). Des valeurs obtenues à partir de l’essai pressiométrique sur un matériau représentatif de chaussée (72 kg) démontrent qu’il y a une évidence d’anisotropie stucturale dans la fondation et la sous-fondation. Il ressort que le rapport d’anisotropie (Er/Ez ) est à peu près égal à 15 %, ce qui concorde avec celui de Tutumluer et al., (2003). Finalement, l’essai pressiométrique est très prometteur car il permet non seulement la détermination de l’anisotropie, mais il permet à l’ingénieur de développer une confiance dans les résultats à cause de la forme de la courbe pression-volume. / One reason for the premature deterioration of roads in North America is inadequate mechanical properties of materials. Given the limited information on the anisotropic behavior of granular materials in the literature, the « Service des matériaux d’infrastructure du ministère des Transports du Québec » agreed to support the project (GE-004-09) which relates to the determination of resilient modulus of granular materials used to build the foundations of roads. Studies show that the resilient modulus of pavement soils is a key parameter for the design and analysis of paved asphalt roads. According to the design method (AASHTO, 2002), the different layers of the pavement structure are dimensioned so that the infrastructure layer remains within tolerated limits of elastic deformations. In order to determine the resilient modulus, triaxial and pressuremeter tests were performed in the facilities of the « Ministère des transports du Québec ». Pressuremeter tests were carried out in a mold compactor, designed specifically for vertical and horizontal testing. The results of pressuremeter tests differ from those (13 kg of granular material) of the triaxial tests. Values obtained from the pressuremeter tests on representative road material (72 kg), demonstrate the existence of structural anisotropy in the foundation and subgrade sections. It appears that the anisotropic ratio (Er/Ez) is roughly equal to 15%, which is consistent with results obtained by Tutumluer et al., (2003). Finally the pressuremeter test is very promising because, not only does it allows for the determination of anisotropy, but also allows the engineer to develop confidence in the results due to the shape of the pressure-volume curve.

Une étude expérimentale du scellement d'un ensemble anodique utilisé dans une cuve d'electrolyse permet de mieux connaître les enjeux thermiques et mécaniques rencontrés lors de la solidification du collet de fonte entre le rondin d'acier et le tourillon en carbone. Trois tourillons d'une anode cuite sont mesurés avec une machine à mesurer tridimensionnelle pour obtenir une représentation haute précision en trois dimensions de l'interface de carbone. Ces mesures sont ensuite comparées à la surface extérieure des collets de fonte solidifiés et refroidis pour connaître la dimension de l'espace d'air à l'interface fonte/carbone. Trente-neuf thermocouples, placés dans une configuration stratégique permettent la reconstruction du champ de température dans les trois matériaux depuis le moment de la coulée jusqu'au refroidissement à température ambiante. Ceci rend possible l'évaluation des coefficients de transfert de chaleur aux interfaces fonte/carbone, fonte/acier et carbone/acier à l'aide d'un modèle thermique. De plus, une analyse métallographique est associée aux courbes de refroidissement enregistrées. En parallèle, un modèle thermomécanique tridimensionnel est développé pour prédire la formation de l'espace d'air à l'interface fonte/carbone. La solidification de la fonte implique un retrait qui dépend de la composition chimique du métal, des changements de phase, des déformations d'origine thermique et des déformations viscoplastiques dans la phase semi-solide et dans l'état solide à haute température. Le logiciel de thermodynamique Thermo-Cale est utilisé pour calculer le parcours de solidification de la fonte et obtenir les propriétés thermiques nécessaires dans le modèle. Le solveur d'éléments finis commercial ABAQUS calcule la solution thermomécanique en tenant compte de la géométrie complexe d'un tourillon et des propriétés des matériaux dépendantes de la température. Pour valider n le modèle, la prédiction de l'espace d'air est comparée aux mesures expérimentales et aux données enregistrées par les thermocouples. Il a été trouvé que l'espace d'air ne peut être décrit par une simple relation linéaire en fonction de l'épaisseur de fonte. L'analyse métallographique révèle une variation significative de la microstructure à travers le collet de fonte et de la macroségrégation du carbone. Il est conclu que la meilleure évaluation des propriétés thermiques est faite en combinant le calcul à l'équilibre de Thermo-Cale, le calcul du module de Scheil et les observations expérimentales des courbes de refroidissement. Le modèle thermomécanique reproduit bien les mesures de températures, mais ne tient pas compte de la viscoplasticité à cause de problèmes de convergence, ce qui donne une prédiction incohérente de l'espace d'air. Toutefois, il est possible d'observer des tendances susceptibles de se produire dans une anode. Il est recommandé d'utiliser une nouvelle approche de modélisation en traitant le problème en plusieurs étapes indépendantes accompagnées de validations expérimentales avant l'intégration d'un modèle complet. La programmation en UMAT dans ABAQUS devrait être priviligiée. Les travaux expérimentaux futurs devraient inclure des essais mécaniques sur la fonte sur toute la plage de température concernée ainsi que des mesures d'espace d'air en temps réel avec des LVDT pendant la solidification d'un anneau de fonte. D'après les mesures d'espace d'air, il est aussi recommandé que les résultats des modélisations thermo-électro-mécaniques antérieures à ce projet soient réévalués selon les nouvelles données disponibles.

Ce projet de maîtrise a comme objectif de caractériser le ruissellement urbain pour un quartier résidentiel de la région de Québec. Un bassin d'orage a été sélectionné dans un quartier résidentiel nouvellement construit et une campagne d'échantillonnage de l'eau de ruissellement a été conduite à l'entrée et la sortie du bassin d'orage existant. L'ouvrage de sortie de ce bassin d'orage a ensuite été modifié pour y augmenter le temps de rétention et en évaluer l'effet sur l'enlèvement de polluants. Il a été trouvé que l'eau de ruissellement présentait des concentrations en polluants, tels les matières en suspension (MeS), métaux lourds et azote ammoniacal, semblables à celles trouvées dans la littérature. Les concentrations plus importantes sont relevées au printemps lors des premiers lessivages de rue après l'hiver. Le bassin d'orage original, ou bassin de rétention, a démontré une efficacité d'enlèvement moyenne de 56% pour les MeS, 20 % pour le zinc et 10 % pour l'azote ammoniacal. Son adaptation a permis de grandement augmenter ces efficacités d'enlèvement. Celles-ci ont atteint 82% pour les MeS, 42% pour le zinc et 84% pour l'azote ammoniacal. L'augmentation du temps de rétention du bassin d'orage permet donc d'améliorer considérablement l'enlèvement des polluants présents dans le ruissellement urbain avant qu'ils n'atteignent le milieu récepteur et permettrait donc d'améliorer la qualité de l'eau des cours d'eau en milieu urbain.

La recherche dans le domaine de la glace afin de mieux connaître la poussée sur les ouvrages hydrauliques se poursuit depuis plusieurs décennies. Les forces générées par les couverts de glace sur les structures sont non négligeables particulièrement pour les petits ouvrages là où la pression hydrostatique est faible. La littérature est remplie de méthode empirique permettant de déterminer ces efforts. Dans un premier temps, l'analyse des résultats de la campagne de mesure menée par l'Université Laval, l'Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ) et BMT Fleet Technologie en 2007-2008 a permis de démontrer que la poussée de la glace est variable dans l'espace. Ainsi, l'application d'une valeur uniforme de poussée de la glace, bien que simplificatrice, ne représente pas la réalité. La valeur suggérée par l'association canadienne des barrages de 150 kN/m se trouve bien au-delà de la valeur intégrée mesurée durant la première année de ce projet de 77 kN/m. Dans la même optique, la variabilité spatiale implique l'utilisation de plusieurs instruments de mesure sur un même ouvrage afin de tenir compte de l'effet d'indentation. D a été démontré que pour un même nombre d'instruments à un moment précis, les valeurs moyennes de poussée de la glace peuvent varier considérablement. Cette observation remet en doute les résultats d'expériences ayant été réalisées à l'aide de quelques capteurs de pression isolés. Enfin, l'analyse des résultats a mis en évidence l'importance des fluctuations de niveau d'eau. Il est prouvé que les fluctuations thermiques, bien que non négligeables, ne sont pas responsables à elles seules de la poussée de la glace. Dans un deuxième temps, la mise au point d'un modèle thermomécanique a été réalisée dans le logiciel à éléments finis ANSYS 12.1. Ce modèle est capable de résoudre pour une géométrie tridimensionnelle appuyée sur une fondation élastique (poussée d'Archimède) et prenant en compte le fluage de la glace selon les paramètres de Barnes et coll. (1971) et une équation de type Norton. Ce projet était le premier pas pour la mise au point du modèle. Des projets en cours permettront d'améliorer le modèle afin de prendre en compte, entre autres, la fissuration et les conditions d'appuis des berges. Les résultats confirment que le modèle fonctionne correctement et donne des résultats conformes à la littérature. Une étude paramétrique a été menée afin d'éclaircir l'influence du module de Young sur la poussée de la glace. De plus, plusieurs analyses ont été effectuées afin d'établir l'importance des conditions d'appuis sur le barrage et le type de chargement. Conformément à la théorie, le modèle semble indiquer qu'à de faibles températures, la glace flue lentement. Toujours en accord avec la théorie, le modèle montre une dissipation des contraintes plus lente lors de plus faibles températures. L'impact réel de ce phénomène devra faire l'objet d'études plus approfondies. Dans cette optique, une glace très froide subissant un événement de déformation rapide atteindra des niveaux de contraintes maximaux tels qu'observés lors du mois février de l'hiver à l'étude. Enfin, le modèle numérique montre que les fluctuations de niveaux d'eau sont non négligeables et doivent faire partie des mécanismes générateurs de poussées.

Pour permettre l’amélioration de l’écohydraulique des rivières en temps de pluie, le développement de règles de contrôle en temps réel de vannes placées à la sortie de bassins d’orage demande une analyse à long terme de différentes options, intégrant la prévision météorologique, la qualité de l’eau de la rivière à l’amont du rejet, le débit de la rivière et la qualité de l’eau dans le bassin d’orage, pour permettre l’amélioration de l’écohydraulique des rivières. Pour cela, l’idéal est de tester ces règles à l’aide d’un modèle intégré du système « bassin versant – bassin d’orage – rivière ». Pour pouvoir faire des simulations à long terme, il faut un modèle de bassin d’orage rapide, qui permette de simuler la qualité de l’eau dans le bassin de façon précise quelles que soient les conditions d’exploitation. L’objet de cette thèse de doctorat a été de développer ce modèle de bassin d’orage. Ce modèle se base sur le principe de couches complètement mélangées superposées permettant de créer un gradient de concentrations pour représenter des phénomènes locaux tel que la pénétration de la lumière influençant la mortalité des pathogènes. Il se base également sur la définition de plusieurs classes de particules caractérisées par leurs vitesses de sédimentation, ces dernières étant déterminées expérimentalement à l’aide de tests ViCAs. Il incorpore également des polluants associés aux particules. L’élément de base, nommé cellule, est défini par une surface et une hauteur maximale au-delà de laquelle il y a débordement. Chaque cellule possède un volume d’eau variable dans le temps, divisé en plusieurs couches superposées, et d’une couche de sédiment de volume constant dans le temps. Pour reproduire le volume d’un bassin d’étude, il est nécessaire de connecter plusieurs cellules les unes avec les autres. Ces connexions se font alors couche à couche ayant comme conditions que les niveaux d’eau de toutes les cellules soient à la même hauteur. Un modèle théorique d’évolution des concentrations en pathogènes incluant des processus complexes comme la croissance, l’adsorption sur les particules et la désinfection par la lumière a également été développé. Le calage du modèle a nécessité la collecte de données expérimentales; des campagnes de mesure ont été effectuées lors des étés 2008, 2009 et 2010 sur le bassin Chauveau de l’arrondissement des Rivières de la ville de Québec. Dans un premier temps, l’efficacité du bassin dans son fonctionnement actuel a été déterminée. Une efficacité moyenne d’épuration de 39% sur les matières en suspension (MeS), de 10% sur l’azote ammoniacal et de 20 % sur le zinc a été mise en évidence. Dans un deuxième temps, la sortie du bassin a été fermée à l’aide d’une structure de bois avec une porte guillotine permettant la rétention de l’eau pendant des durées variables. Cette deuxième configuration du bassin a permis d’améliorer l’efficacité du bassin de façon très importante pour les MeS (90%), l’azote ammoniacal (84%) et le zinc (42%). Des prélèvements ponctuels ont également été faits à l’intérieur du bassin, révélant une hétérogénéité des mesures en MeS entre la zone proche de l’entrée et la zone proche de la sortie, durant les 20 premières heures d’emmagasinement. Le modèle a montré sa capacité à reproduire le comportement de la concentration en matières en suspension à l’aide de 3 classes de particules associées à des vitesses de sédimentation de 80, 2 et 0.1 m/d. La représentation hydraulique du modèle a nécessité l’emploi de 5 cellules pour recréer l’hétérogénéité spatiale révélée par les campagnes d’échantillonnage. Finalement, une fonction de débit de resuspension a permis de modéliser les concentrations à la sortie du bassin d’orage. La validation a confirmé les bonnes performances du modèle pour l’hydraulique et la prédiction des matières en suspension en sortie de bassin. Elle a néanmoins révélé plusieurs points qui nécessiteraient des recherches plus approfondies : la définition du débit de resuspension des sédiments, la détermination de la masse initiale de sédiments dans le bassin, la possibilité d’utiliser plus de cellules pour mieux représenter le comportement hydraulique et l’intérêt de collecter des analyses ViCAs associés à chaque phase du pollutogramme de la pluie (début, pic de débit et fin). Avec ce modèle, les stratégies de gestion en temps réel de la vanne de sortie des bassins d’orage peuvent maintenant être déterminées. / The development of real-time control rules of sluice gates located at a stormwater basin outlet requires testing various options, taking in account weather forecasts, water quality of the upstream river, river flow and water quality in the stormwater basin, by using long-term simulations to allow improved ecohydraulics of rivers. To do so, these rules have to be tested by using an integrated “watershed - storm basin – river” system. In order to perform long-term simulations, a stormwater basin model with small computation time is needed, which simulates the water quality in the basin accurately in function of imposed operating conditions. The purpose of this thesis was to develop such stormwater basin model. The developed model is based on superimposed homogeneous layers creating a concentration gradient to represent local phenomena such as light penetration affecting the mortality of pathogens. It is also based on the definition of several particle classes characterized by their settling velocities; the latter being determined experimentally using ViCAs tests. It also includes pollutants associated with particles. The basic unit, called cell, is defined by a surface and a maximum height above which water overflows. Each cell has a time-variable water volume, divided into several layers and a constant volume sediment layer. To reproduce spatial heterogeneity of an experimental stormwater basin, it is necessary to connect several cells. Connections are then done layer by layer with the condition that the water levels of all cells are at the same water height. A theoretical model describing the concentrations of pathogens, including complex processes such as growth, adsorption on particles and light disinfection has also been developed The calibration of the model required experimental data which were collected by sampling in the summers of 2008, 2009 and 2010 on the basin Chauveau in the “des Rivières” district of Quebec City. First, the efficiency of the basin in its current operation was determined. An average removal efficiency of 39% for total suspended solids (TSS), 10% for ammonia and 20% for zinc was revealed. In a second step, the stormwater basin outlet was closed with a wooden structure equipped with a guillotine door to retain the water for varying periods of time. The second configuration of the basin significantly improved the efficiency of the basin for TSS (90%), ammonia (84%) and zinc (42%). Samples were also collected within the basin, revealing heterogeneity in TSS measurements between the area near the inlet and the area near the outlet for the first 20 hours of storage. The model showed its ability to adequately reproduce the behavior of the TSS concentrations using three particle classes defined by settling velocities of 80, 2 and 0.1 m/d. For the hydraulics, five cells were required to recreate the spatial heterogeneity revealed by the sampling campaigns. Finally, the addition of a resuspension flowrate was needed to model the increased outlet TSS concentrations at the end of emptying. The validation confirmed the good performance of the model for the hydraulics and the prediction of outlet TSS concentration. It has also revealed several points that require further research: the definition of the sediment resuspension flowrate, determination of the initial mass of sediments in the stormwater basin, the possibility of using more cells to better represent the hydraulics and the interest of running ViCAs tests associated with each phase of the runoff (the beginning, the flow peak and the end). With this model, real-time control strategies for the outlet valve can now be tested.