Dissertations / Theses on the topic 'Déversoirs'

Le présent travail a pour objectif spécifique de comparer les modèles hydrauliques pour simuler les débits véhiculés par le déversoir latéral afin de sélectionner le modèle le plus approprié. La méthodologie préconisée est basée sur l'analyse de modèles mathématiques de différents degrés de complexité. Un montage expérimental conçu pour les besoins de la présente étude a permis de comparer l'adéquation des modèles analysés pour simuler le débit réel déversé à travers un déversoir latéral. La validation a été faite pour un modèle mécaniste découlant de l'équation fondamentale de Bernoulli et pour, des modèles semi-empirique. Il ressort de l'étude que le modèle semi-empirique de Dominguez donne des résultats comparables à ceux du modèle mécaniste et qui concordent avec les résultats expérimentaux. On recommande donc l'utilisation du modèle de Dominguez, qui est plus simple à mettre en oeuvre, pour le calcul du débit déversé à travers un seuil latéral.

En Hydrologie Urbaine la modélisation unidimensionnelle est considérée comme l'un des outils les plus puissants pour étudier le fonctionnement des systèmes d'assainissement par temps de pluie. Cette approche mécaniste est fondée principalement sur la résolution du système d'équations de Barré de Saint Venant. L'une des principales difficultés d'utilisation des outils logiciels utilisant ces modèles réside dans la description correcte des ouvrages spéciaux, et en particulier celle des déversoirs d'orage. Ces ouvrages sont en effet extrêmement divers et leur fonctionnement souvent difficile à analyser. La diminution des incertitudes dans la représentation des déversoirs d'orage est donc essentielle pour améliorer l'évaluation des rejets urbains par temps de pluie. Une première partie de ce travail est consacrée à la présentation et à l'évaluation des performances d'un modèle original de représentation des déversoirs d'orage à seuil latéral. Ce modèle unidimensionnel et compatible avec les équations de Barré de Saint Venant permet de prendre en compte l'évolution de la ligne d'eau le long du seuil par une procédure simplifiée. Il s'avère particulièrement efficace dans le cas des régimes fluviaux. La deuxième partie du travail porte sur l'évaluation de l'importance relative des différentes sources d'erreurs dans la modélisation des déversoirs d'orage. Cette partie repose sur une identification, une estimation et une comparaison des différentes sources d'erreur (erreurs dues à la simplification des équations, erreurs dues à la simplification de la description géométrique et erreurs faites par le modélisateur lui même). La principale conclusion est que les erreurs dues au modélisateur sont souvent supérieures d'un ordre de grandeur aux autres sources. La formation des utilisateurs, l'amélioration de la documentation des logiciels et la mise en œuvre de procédures explicites de modélisation sont donc des éléments nécessaires de progrès. La recherche a été réalisée avec le support du logiciel CANOE®. Ce logiciel est développé au sein de l'Unité de Recherche Génie Civil - Hydrologie Urbaine à l'Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, en partenariat avec la SOGREAH et avec le soutien de plusieurs collectivités locales. La plupart des résultats acquis sont généralisables aux autres logiciels existant sur le marché<br>En Hydrologie Urbaine la modélisation unidimensionnelle est considérée comme l’un des outils les plus puissants pour étudier le fonctionnement des systèmes d’assainissement par temps de pluie. Cette approche est fon-dée sur la résolution du système d’équations de Barré de Saint Venant. L’une de difficultés d'utilisation des logiciels utilisant ces modè-les réside dans la description des ouvrages spéciaux, et en particulier celle des déversoirs d’orage. Ces ouvrages sont extrêmement divers et leur fonc-tionnement souvent difficile à analyser. La diminution des incertitudes dans la représentation des déversoirs d'orage est donc essentielle pour amé-liorer l’évaluation des rejets urbains par temps de pluie. Ce travail porte sur l'évaluation des performances d'un modèle original de représentation des déversoirs d'orage à seuil latéral et sur l’évaluation de l'importance relative des différentes sources d’erreurs dans la modélisation des déversoirs d’orage

La réglementation actuelle impose entre autres, la surveillance des rejets au droit des déversoirs d'orage. Il devient donc indispensable de comprendre leur fonctionnement hydraulique et de quantifier les charges polluantes déversées. Dans ce contexte, l'hydrodynamique et la séparation particulaire dans les déversoirs d'orage ont été modélisées en 3D (FLUENT). Nous avons simulé en 3D les écoulements dans les déversoirs d'orage latéraux. La validation des résultats numériques est essentiellement faite sur les débits déversés, conservés et la surface libre en 3D, obtenus sur le pilote d'Obernai (Bas-Rhin). La mesure de la surface libre en 3D s'est faite grâce à l'adaptation d'un capteur de reconnaissance de forme en lumière structurée. La comparaison des surfaces libres mesurées et calculées met en évidence la capacité du code de calcul à localiser la surface libre (erreurs inférieures à 10 %). Le logiciel prédit également le partage des débits avec une erreur inférieure à 8 %, par rapport au partage réel de débits obtenu sur pilote. L'ensemble des tests réalisés a permis une meilleure connaissance des options de modélisation appropriées (maillage, modèle multiphasique, conditions aux limites, turbulence) pour la simulation 3D des écoulements dans un déversoir. La validation du modèle fondé sur une approche lagrangienne et stochastique du mouvement de la particule a été faite grâce à des données expérimentales provenant de l'étude bibliographique. Nous nous sommes intéressés à une répartition de la granulométrie uniforme ainsi qu'aux masses totales déversées. Les résultats de comparaison entre l'expérimental et le calcul de ces masses sont proches de 5 %. Enfin, nous avons utilisé les options de modélisation retenues précédemment pour simuler les écoulements dans les déversoirs complexes des sites de Fontainebleau, Sélestat et Clichy. Nous avons montré le mode d'utilisation de la modélisation 3D pour comprendre le fonctionnement hydraulique de ces ouvrages. L'exploitation des résultats des simulations nous a fourni des renseignements importants en vue de mettre en place ou d'améliorer l'instrumentation des déversoirs complexes<br>The lawful constraints imposes, among other things, the monitoring of the rejections through the Combined Sewer Overflows (CSO). It thus becomes essential to understand their hydraulic operation and to quantify the discharged pollutant load. In this context, we have investigated the 3D numerical modelling of flows and particle separation in the CSO by using FLUENT CFD (Computational Fluid Dynamics) software. The numerical results have been validated in experiments thanks to the measurements of flow rates (overflow and outflow) and free surface, obtained on the physical tests bench. The measurement of the 3D free surface was done by the adaptation of new equipment made up of a projector and a numerical camera coupled to software of image processing. The comparison between the measured and calculated free surface highlights the capacity of the computer code to locate the free surface (errors lower than 10 %). The software also predicts the division of the flow discharge with an error lower than 8 %, compared to the real division of flow rates obtained experimentally. The tests carried out allowed a better knowledge of the suitable options of modelling (computational mesh, multiphase model, boundary conditions, turbulence) for 3D simulation of the flows in CSO. The validation of the model based on a Lagrangian and stochastic approach of the movement of the particle was made thanks to experimental data coming from the bibliographical study. We were interested in a distribution of uniform granulometry. The results of comparison between the experimental and numerical poured total masses are close to 5 %. Lastly, we used the options of modelling selected previously to simulate the flows in the complex CSO of the sites of Fontainebleau, Sélestat and Clichy. We showed the mode of use of 3D modeling to understand the hydraulic operation of these works. The analysis of the results of simulations provided us significant information in order to set up or to improve the instrumentation of the complex CSO

Il apparaît aujourd'hui que la dégradation des eaux réceptrices urbaines est due, pour beaucoup, aux déversements des réseaux d'assainissement par temps de pluie. Avec la prise de conscience générale d’un problème d’environnementaux, l'eau est devenue non seulement un patrimoine à protéger, mais aussi un m1heu susceptible d’être valorise. En outre, l’évolution actuelle de la réglementation va bientôt imposer un contrôle de la qualité de ces rejets urbains de temps de pluie. Les nouvelles orientations de l'assainissement qu'implique ce contexte, vont nécessiter des dépenses importantes pour réduire cette source de pollution. Les grandes agglomérations se trouvent donc désormais confrontées au problème des rejets urbains de temps de ' pluie. L'évaluation quantitative et qualitative de ces derniers apparaît être un enjeu majeur pour le choix des solutions les mieux adaptées. Cependant, la mise en œuvre des moyens actuellement disponibles pour étudier de tels rejets à l'échelle de bassins versants de plusieurs milliers d'hectares, se heurte à de nombreuses difficultés. Celles-ci sont principalement liées à la complexité et à la méconnaissance des phénomènes. Notre travail se propose de déterminer comment utiliser au mieux ces moyens existants (mesure et modélisation) pour acquérir des connaissances et évaluer les rejets de temps de pluie de grands bassins versants urbains. Les principaux résultats de cette recherche sont : -l'acquisition, la critique et la validation de mesures par temps de pluie, -l'apport de connaissances quant à l'influence de la taille du bassin versant sur les caractéristiques des effluents de temps de pluie, - la proposition d'une démarche visant à mettre en œuvre la modélisation à grande échelle, -la comparaison et la critique de méthodes d' évaluation des rejets urbains de temps de pluie, -l'évaluation des rejets urbains de temps de pluie d'un grand bassin versant urbain lyonnais et les incertitudes associées à cette évaluation<br>The pollution of receiving waters is largely due to sewage overflows during storm. With the rising of a general concern regarding environmental problems, water has become not only a patrimonial aspect to protect, but also a potentially valuable resource. Moreover the evolution of the actual regulation will soon impose a strict control on the quality of storm sewer overflows. The new directions of sewer treatment management implied by this context will enlarge the investments needed to achieve sewer pollution abatment. The development of a responsible policy in urban quality management has brought great urban communities face to face with the problem of storm overflows. Their quantitative and qualitative evaluation is one of the major considerations in the process of choosing the best solutions to control the impacts of overflows. Nowadays, the use of available tools to study and to evaluate the overflows over large urban catchments of many thousands hectares of area faces difficulties. These come generally from the complexity of the phenomenons. The goals of the presented study are to formulate how we could use theses existing tools (modelling and monitoring) in order to obtain valuable data, and therefore to properly evaluate large urban catchments storm overflows. The principal results of the study are : - the acquisition, critic and validation of experimental measures, - the understanding of the influence of the catchment' s area on runoff water characteristics, -the proposition of the use of lar0cre area catchments modelling - the comparison and critics of the methods to evaluate storm overflows on large urban areas, - and finally, the case study of a large urban catchment in Lyon ' s Urban Community and an error assesment of the storm overflows evaluation

Actuellement, à la périphérie des agglomérations, se développe une forme urbaine particulière, constituée d'un mélange d'habitat individuel plus ou moins diffus de zones d'activité et de commerce, etc…, occupant peu à peu des zones cultivées ou naturelles. Les bassins versants possédant ce type d'occupation des sols, que nous qualifierons de périurbains, ont un fonctionnement hydrologique spécifique. Ce fonctionnement est caractérisé par la coexistence de deux types de surfaces aux comportements très différents et de deux systèmes d’écoulement en interaction (le réseau hydrographique naturel et le réseau d'assainissement pluvial). L'objet de cette étude est la mise au point d'un modèle permettant la représentation du comportement hydrologique des bassins versants périurbains, en particulier vis-à-vis des phénomènes de ruissellement. Le modèle devra être capable de représenter de façon continue l’évolution du comportement du bassin versant au fur et à mesure de son urbanisation. Le modèle proposé se compose de trois modules : un module urbain, un module rural et un module déversoir d'orage. Le module urbain représente le fonctionnement de la partie urbaine du bassin versant périurbain, le module rural celui de la partie rurale et le module déversoir d'orage permet d'estimer la quantité d'eau du réseau urbain qui se déverse dans le milieu rural. L'étude de sensibilité du modèle, effectuée pour différents types de pluies (faible, moyenne et forte) a permis de réduire à 12 le nombre de paramètres de calage. Le modèle a ensuite été calé et validé en utilisant les données hydrologiques de quatre sites expérimentaux (deux Sites urbains, un site rural et un site péri urbain). Les résultats obtenus montrent que le module urbain simule très bien la transformation de la pluie en écoulement pour les pluies faibles et moyennes. Le module rural simule de façon satisfaisante la réponse hydrologique de la partie rurale. Enfin, l'ensemble du modèle donne des résultats également satisfaisants pour les pluies faibles et moyennes sur le bassin périurbain testé. En raison de la non disponibilité de données observées sur des pluies fortes, aucune validation du modèle n'a été faite pour ce type de pluie<br>Currently, at the periphery of agglomerations, a particular urban form is developing, constituted of an individual more or less diffuse habitat mix of activities and trade zones, etc. , gradually occupying natural or cultivated zones. The catchment areas possessing this type of land use, which we will qualify as periurban, have a specific hydrological mechanism. This mechanism is characterized by the coexistence of two types of surfaces with very different behaviors and two systems of flow in interaction (the natural hydrographic network and the storm sewer system). The abject of this study is the development of a model allowing the representation of the hydrological behavior of the periurban watersheds, especially vis a vis the runoff phenomena. The model must be able to represent in a continuous manner the evolution of the watershed behavior along with its urbanization. The proposed model is composed of three modules: an urban module, a rural module and an overflow device module. The urban module represents the functioning of the urbanized part of the peri urban watershed, the rural module that of the rural part, and the storm overflow module allows the estimation of the quantity of water to be rejected from the urban sewer system to natural (rural) milieu. The study of the model's sensitivity, undertaken for different types of rainfall (low, average and high) has allowed to reduce to 12 the number of calibration parameters. The model was then calibrated and validated by using hydrological data from four experimental sites (two urban sites, one rural site and one periurban site). The results obtained show that the urban module simulates very well the transformation of the rainfall to discharge for average and low rainfall. The rural module simulates the hydrological responses of the rural part satisfactorily. Finally, the totality of the model gives satisfactory results for average and low rainfall for tested periurban catchment. Because of the non-availability of data observed on high rainfall, no validation of the model has been do ne for this type of rain

Dans ce travail, nous procédons à une analyse numérique et expérimentale de l’écoulement d’eau au-dessus d’un évacuateur de crue en marches d’escalier. Les équations de Navier-Stokes moyennées associées au modèle de turbulence k-ε et à la méthode VOF sont résolues en utilisant le logiciel Fluent. L'analyse expérimentale est consacrée à la visualisation de l'écoulement d’eau le long d’une maquette d’évacuateur de crue en marches d’escalier. Nous avons analysé l’influence de la charge dynamique, de la forme de la paroi, de la dimension de la marche, de l’inclinaison des marches et des contremarches et de l’injection d’air au niveau des contremarches sur l’évolution le long de l’évacuateur de crue sur les principales grandeurs caractéristiques de l’écoulement d’eau. Une étude comparative a été effectuée en utilisant les deux méthodes VOF et multiphasique. Ainsi, nous avons montré que les marches d’escalier contribuent à atténuer l’énergie cinétique de l’écoulement dans la partie inférieure de l’évacuateur de crue et que la configuration d’un évacuateur de crue avec des contremarches inclinées par rapport à la verticale d’un angle négatif permet de diminuer le risque de cavitation au niveau des contremarches.

Les déversoirs d’orages (DO) d’un système de collecte sont la principale source de pollution des milieux récepteurs en temps de pluie. La maîtrise des flux de pollution déversés par ces DO requiert l’étude de l’hydrodynamique et du transport de polluants véhiculés généralement sous forme particulaire en suspension. L’ensemble des travaux expérimentaux et numériques s’est intéressé à l’hydrodynamique et à la dispersion des polluants particulaires au niveau des déversoirs latéraux aux échelles laboratoire et terrain. L’écoulement tridimensionnel est caractérisé grâce aux données suivantes : la hauteur d’eau, le débit, le champ de vitesse et l’énergie cinétique turbulente. La dispersion des polluants particulaires est étudiée à l’aide de la répartition massique à l’échelle pilote et de la concentration et du flux de pollution en DBO5 déversés à l’échelle terrain. Cette étude a permis de valider pour la première fois, à notre connaissance, l’approche numérique 3D basée sur la mécanique des fluides numérique (CFD, en anglais) appliquée au cas d’un déversoir latéral complexe soumis à l’autosurveillance réglementaire grâce aux données in situ de hauteurs d’eau, débits amont et débits déversés, collectées par Valence Romans Agglo. Les résultats d’analyse des premières campagnes montrent que le critère de conformité réglementaire lié au flux de pollution déversé en temps de pluie s’avère être adapté au fonctionnement du système de collecte de la ville de Valence. En effet, la concentration en DBO5 déversée par le principal DO est inférieure à celle mesurée en entrée de la station de traitement. Ces travaux confirment l’emploi de l’approche CFD et des essais en laboratoire comme outils opérationnels permettant (i) de comprendre le comportement hydrodynamique d’un DO en temps de pluie, (ii) d’analyser la conformité d’un système de collecte et (iii) d’évaluer et d’améliorer la mise en place de l’autosurveillance<br>Combined sewer overflows (CSO) in a sewer system are the main source of pollution for the receiving environments during wet weather. The control of pollution flux discharges by CSO requires the study of hydraulics and pollutant transport, conveyed mostly as suspended particles. All experimental and numerical simulations have focused on hydrodynamics and the dispersion of particulate pollutants within side weirs at laboratory and field scales. The tridimensional flow is characterized by means of the water height, flowrate, velocity and turbulent kinetic energy fields. The particulate pollutant dispersion is studied by means of the mass distribution at laboratory scale and the BOD5 concentration and flux discharged at field scale. This study validated for the first time, to our knowledge, the 3D numerical approach based on the computational fluid dynamics (CFD) applied to the case of a complex side weir subjected to regulatory self-monitoring using in situ data of water heights, upstream flows and discharged flows, collected by Valence Romans Agglo. The first campaigns show that the regulatory compliance criterion linked to the flow of pollution discharged in rainy weather is proving to be adapted to the functioning of the sewer system of the city of Valence. Indeed, the concentration of DBO5 discharged by the main CSO is lower than that measured at the entrance of the wastewater treatment plant. This work confirms the use of CFD and laboratory tests as operational tools allowing (i) to understand the hydrodynamic behaviour of CSO in wet weather, (ii) to implement self-monitoring and (iii) to analyse sewerage system compliance

La diversité de forme et de fonctionnement des ouvrages de déversement construits en réseaux d'assainissement unitaires rend leur modélisation une tâche difficile à accomplir. Cette difficulté est encore accrue par l'absence de modèles adaptés pour certains déversoirs et la méconnaissance des phénomènes hydrauliques réels pour d'autres. Pour remédier à cet handicap, la meilleure façon semble être d'augmenter les mesures sur des sites réels afin d'apporter des renseignements pour les modèles et d'améliorer les connaissances sur le fonctionnement réel de ces ouvrages. Dans ce contexte, nous avons décidé de mettre en place un système de mesure. Permettant de prendre en compte l'hétérogénéité spatiale et temporelle de la lame déversante par le biais de caméras numériques. Le suivi expérimental de l'installation sur deux sites différents pendant plus de dix huit mois nous a permis de confirmer la faisabilité du concept d'instrumentation par caméras, de part la fiabilité des équipements et la qualité des résultats acquis. L'application des outils d'analyse et de traitement aux images enregistrées nous a offert la possibilité de dégager les caractéristiques pertinentes des comportements hydrauliques des déversoirs et de transformer les données images en données numériques exploitables pour la modélisation. L'approche développée dans la deuxième partie de ce travail de recherche repose sur l'utilisation des réseaux de neurones artificiels (RNA) pour la modélisation et la gestion des déversoirs d'orage. Le modèle non-linéaire de déversement que nous avons élaboré pennet de reproduire correctement le fonctionnement du déversoir étudié et de pallier les insuffisances des modèles classiques des déversoirs d'orage. Dans le but de réduire les rejets des déversoirs d'orage par temps de pluie, l'approche par les RNA a été ensuite exploitée en vue de la mise en oeuvre d'une stratégie de contrôle en temps réel pour la gestion d'une station de pompage en aval d'un déversoir d'orage. Nous avons montré qu'en maintenant les mêmes caractéristiques physiques du réseau et des ouvrages, la stratégie adoptée pemlet une réduction considérable des rejets du déversoir par temps de pluie, exprimée en volume et en fréquence de déversement, ainsi que l'optimisation du fonctionnement de la station d'épuration.

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 &lt; 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<br>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 (&lt;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

La production de pétrole s’accompagne de la formation d’émulsions eau-pétrole dont la séparation est réalisée dans des décanteurs gravitaires horizontaux fonctionnant en continu. La coalescence lente des gouttes d’eau avec l’interface huile-eau forme une zone dense (DPZ) dont les gouttes peuvent être remises en suspension et réentraînée. L’objectif de ce travail consiste à identifier et quantifier les mécanismes de réentraînement par une étude expérimentale. Un canal rectangulaire fermé par un déversoir permet de reproduire l’écoulement stratifié huile-DPZ-eau. Considérant la DPZ comme un système non coalescent, des particules solides remplacent les gouttes d’eau. Trois phénomènes ont été observés. (1) Le charriage des particules à la surface du lit. Contrôlé par la contrainte de cisaillement de l’écoulement du fluide, il apparait si la contrainte adimensionnelle thetadépasse le seuil critique de mise en mouvement estimé à theta c = 0. 23. Une fois les particules en mouvement, le débit adimensionnel de charriage est fonction de theta et s’écrit phi = 0. 417D*3/2. Theta puissance 3. 2) L’arrachage des particules du lit situées juste en amont du déversoir. Ce phénomène transitoire est dû aux recirculations du fluide devant le déversoir et apparait si theta &gt; 0. 7theta c. (3) La déformation du lit de particules en amont du déversoir. Résultat des mécanismes précédents, une dune se crée, suivie d’une zone d’affouillement, et atteint un état stationnaire dont la position et la forme ne dépendent que de la hauteur du déversoir. Les résultats indiquent que la position de la crête de la dune xc est telle que xc /Ho = 0. 75<br>In crude oil industry, dispersion separation is frequently achieved using continuously running, horizontal gravity settlers designed to produce well defined layers of oil and water. The slow coalescence of the micron-sized water drops at the oil-water interface (OWI), results in an accumulation of drops called dense-packed zone (DPZ), which may be re-entrained into oil. This experimental work aimed at determining and quantifying the mechanisms of re-entrainment of the DPZ. Experiments were conducted in a rectangular open channel ended by a vertical weir in which a mineral oil and tap water were re-circulated. Assuming the DPZ as a non coalescing system, a granular non-cohesive bed was deposited at the OWI to replace the DPZ. Three phenomena were revealed. (1) Bed load transport occurred when the dimensionless shear stress exerted by oil flow on the particles exceeded a critical value theta c = 0. 23. The corresponding dimensionless bed load rate  was found to be a function of theta such that phi = 0. 417D*3/2. Theta puissance 3. (2) Transient particle re-entrainment in the vicinity of the weir. Because of the flow recirculation ahead the weir, particles were lifted and transported above the weir when theta &gt; 0. 7theta c. These two mechanisms drove the formation and the evolution of (3) the bed deformation. Within about 150 mm upstream of the weir, the initial flat bed took the shape of a dune followed by a small scour hole. At steady state, the position and the size of the dune were independent of the operating flow rate Q but were affected by the weir height Ho. Results show that the position of the crest xc is a function of Ho such that xc /Ho = 0. 75

On presente une methodologie d'analyse et d'evaluation de la regulation des canaux d'irrigation, en faisant reference aux perimetre irrigues mexicains. Apres l'elaboration d'un modele mathematique de simulation capable de representer toutes les caracteristiques des canaux d'irrigation et de simuler les differentes manoeuvres des ouvrages de commande, on developpe des programmes representant les differents algorithmes de regulation qu'il a fallu adapter au modele

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 :

Dans cette étude, un modèle numérique tridimensionnel est développé pour le calcul du volume et du niveau des sédiments dans les réservoirs pendant la chasse de barrages. Les équations de Reynolds moyennées de Navier-Stokes (RANS) sont résolues numériquement par la méthode des volumes finis. Des modèles de turbulence du type k - [epsilon] et RNG k- [epsilon] sont aussi employés pour fermer ces équations. Les résultats du phénomène hydrodynamique sont utilisés comme des données d'entrée supplémentaires pour le module morphologique. Les équations de convection-diffusion pour la concentration des sédiments suspendus sont résolues en adoptant l'équation proposée par Van-Rijn (1987) comme condition limite. L'équation de charriage de Van-Rijn a été aussi utilisée pour calculer le transport de charriage adjacent au fond du réservoir. Ceci est combiné avec la concentration calculée des équations de convection-diffusion pour évaluer la concentration de l'ensemble des sédiments. Les changements de fond de réservoir sont obtenus par application de l'équation de conservation de la masse. La méthode de volumes finis est aussi utilisée pour résoudre les équations de transport de sédiment. Les résultats des simulations numériques sont comparés aux données expérimentales disponibles dans la littérature. Une étude d'un cas réel (réservoir de Sefid-Rud en Iran) a été réalisée. Pour ce cas, un bon accord entre la simulation et les données expérimentales a été obtenu pour les sédiments évacués du réservoir pendant la chasse. Ceci montre que le modèle développé peut raisonnablement simuler la chasse de pression. Cependant, quelques déviations ont été observées pour la chasse avec flux libre et cela peut être justifié par une modélisation incomplète de la surface libre de l'eau.

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.

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<br>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

La gestion en temps réel (GTR) est considérée comme une solution économiquement efficace pour réduire les déversements par temps de pluie car elle optimise la capacité disponible des réseaux d'assainissement. La GTR permet d'éviter la construction de volumes de rétention supplémentaires, d'augmenter l'adaptabilité du réseau aux changements de politiques de gestion de l'eau et surtout d'atténuer l'impact environnemental des déversoirs d'orage. À la suite de l'intérêt croissant pour la GTR fondée sur la qualité de l'eau (QBR), cette thèse démontre une stratégie simple et efficace pour les charges polluantes déversées par temps de pluie. La performance de la stratégie QBR, basée sur la prédiction des courbes masse-volume (MV), est évaluée par comparaison avec une stratégie typique de GTR à base hydraulique (HBR). Une étude de validation de principe est d'abord réalisée sur un petit bassin versant de 205 ha pour tester le nouveau concept de QBR en utilisant 31 événements pluvieux sur une période de deux ans. Par rapport à HBR, QBR offre une réduction des charges déversées pour plus d'un tiers des événements, avec des réductions de 3 à 43 %. La stratégie QBR est ensuite mise en oeuvre sur le bassin versant de Louis Fargue (7700 ha) à Bordeaux, France et comparée à nouveau à la stratégie HBR. En implémentant QBR sur 19 événements pluvieux sur 15 mois, ses performances sont constantes et apportent des avantages précieux par rapport à HBR, 17 des 19 événements ayant une réduction de charge variant entre 6 et 28.8 %. La thèse évalue en outre l'impact de l'incertitude de prédiction de la courbe MV (due à l'incertitude de prédiction du modèle) sur la performance de la stratégie QBR, en utilisant un événement pluvieux représentatif. La marge d'incertitude qui en résulte est faible. En outre, l'étude de sensibilité montre que le choix de la stratégie QBR ou HBR doit tenir compte des dimensions réelles des bassins et de leur emplacement sur le bassin versant<br>Real time control (RTC) is considered as a cost-efficient solution for combined sewer overflow (CSO) reduction as it optimises the available capacity of sewer networks. RTC helps to prevent the need for construction of additional retention volumes, increases the network adaptability to changes in water management policies, and above all alleviates the environmental impact of CSOs. Following increasing interest in water quality-based RTC (QBR), this thesis demonstrates a simple and nothing-to-lose QBR strategy to reduce the amount of CSO loads during storm events. The performance of the QBR strategy, based on Mass-Volume (MV) curves prediction, is evaluated by comparison to a typical hydraulics-based RTC (HBR) strategy. A proof-of-concept study is first performed on a small catchment of 205 ha to test the new QBR concept using 31 storm events during a two-year period. Compared to HBR, QBR delivers CSO load reduction for more than one third of the events, with reduction values from 3 to 43 %. The QBR strategy is then implemented on the Louis Fargue catchment (7700 ha) in Bordeaux, France and similarly compared with the HBR strategy. By implementing QBR on 19 storm events over 15 months, its performance is consistent, bringing valuable benefits over HBR, with 17 out of 19 events having load reduction varying between 6 and 28.8 %. The thesis further evaluates the impact of MV curve prediction uncertainty (due to model prediction uncertainty) on the performance of the QBR strategy, using a representative storm event. The resulting range of uncertainty is limited. Besides, results of the sensitivity study show that the choice of the QBR or HBR strategy should take into account the current tank volumes and their locations within the catchment

En France les filtres plantés à écoulement vertical sont utilisés pour le traitement des surverses de déversoir d’orage (CSO en anglais). Ils sont efficaces pour le traitement des polluants ainsi que pour assurer un rôle de tampon hydraulique permettant de protéger les milieux hydriques superficiels. Ils ont la particularité de recevoir des effluents bruts dont la fréquence, l’intensité, la durée et les concentrations sont stochastiques. En conséquence de quoi l’optimisation du dimensionnement est particulièrement délicate. Dans ce travail, le dimensionnement est abordé suivant deux approches. D’une part en définissant les processus clefs pour une optimisation du dimensionnement et, d’autre part, en construisant un modèle dynamique simplifié (Orage)permettant de prendre en compte, sur le long terme, le caractère stochastique des évènements et les contraintes locales. Le cœur du modèle a été calibré et validé sur une large gamme d’évènements mesurées sur un site en taille réelle (site de Marcy l’Etoile). La qualité de la calibration a été validé aussi bien visuellement que statistiquement et la robustesse du modèle étudiée par une analyse de sensibilité (méthode de Morris). L’optimisation automatique du dimensionnement a nécessité la réalisation d’une boucle itérative également paramétrée et testée dans le cadre du site de Marcy l’Etoile et pour des cas théoriques. Les dimensionnements proposés ont été estimés réalistes. La définition des processus clefs du système de traitement, et le développement du modèle simplifié, a également été possible grâce à la simulation d’expérimentations sur colonnes par un modèle mécaniste (HYDRUS / CW2D). La paramétrisation des processus du modèle simplifié a été réalisée sur la base d’expérimentations détaillées sur le site de Marcy l’Etoile. Le site a été suivi pendant trois ans aussi bien par des prélèvements automatiques, des traçages, que des mesures en lignes (hydraulique, azote, teneur en eau). Parmi les processus calibrés, nous retiendrons i) l’importance du niveau de saturation de la base du filtre au début d’un évènement vis-à-vis des court circuits hydrauliques, ii) la définition des capacités d’adsorption de l’azote ammoniacale de différents matériaux (pouzzolane, mélange de sable et de zéolite) et iii), la définition des cinétiques de nitrification suivant la température et quantité d’azote ammoniacal adsorbé. Si les performances de l’ouvrage sont hautes pour les paramètres majeurs (MES, DCO, N-NH4), l’impact du dimensionnement, de la gestion et des facteurs environnementaux sur les performances et l’accumulation de boue a été étudié. De plus, quelques suivis ont été réalisés sur les métaux et les HAP. Ces mesures ont permis non seulement de calibrer le logiciel Orage mais aussi de proposer des modifications pour l’amélioration du dimensionnement<br>Constructed wetlands for combined sewer overflow treatment (CSO CWs) are vertical flow filters in France. They effectively remove pollutants and mitigate hydraulic peaks, which protects natural waters. They receive unsettled flows with stochastic return periods, volumes and concentrations, making design optimization difficult. In the presented work, design is targeted from two sides. First, the scientific basis is laid down for the design-support software Orage. The tool is model-based and as such, it considers the stochasticity of CSOs site-specifically. Its core model has been calibrated and then verified by a range of tests. Simulations fit to measured data from a full-scale CSO site (Marcy l’Etoile). The goodness of fit is evaluated visually and statistically. Model robustness has been confirmed by a sensitivity analysis (Morris method). After this, the iterative shell has been parameterized and tested (the software element doing automatic optimization). The design proposals of the tool have been found realistic. The other approach to target optimization has been a detailed field research at Marcy l’Etoile. The site at Marcy l’Etoile has been monitored for three years, using automatic samplers and online probes. The filling of the porous media at event start proves and explains shortcutting behaviour. Adsorption capacities have been quantified for pozzolana and a sand and zeolite mixture. A temperature-dependent equation is calibrated to calculate nitrification rate. System efficiency is high for target pollutants (TSS, COD, NH4-N). Design, operational and environmental factors have been analysed to seek potential effects on removal performances and sludge accumulation. Additionally, PAHs and metals are indicated for a few selected events. The field results were essential to calibrate Orage and to see options for design improvements. The understanding of CSO CWs and the development of Orage was promoted also by simulating lab-scale columns using the process-based model package HYDRUS / CW2D

Les déversements des eaux des réseaux unitaires dans le milieu naturel ont pour conséquences en période d'étiage des perturbations du régime hydraulique et une forte dégradation de la qualité des eaux du milieu naturel. Cette thèse étudie les relations entre les débits et charges déversées et la qualité des eaux du milieu naturel et a pour but de définir le modèle le mieux adapté pour l'étude de ces phénomènes. La zone d'étude est limitée à la Seine entre les barrages de Port-à-l'Anglais à l'amont de Paris et de Suresnes à l'aval de Paris soit un tronçon de 25 km. Les déversoirs d'orage considérés sont ceux de la ville de Paris intra-muros.

Les bassins périurbains, constitués de zones urbaines, agricoles et naturelles, sont des bassinsversants complexes à étudier. L’augmentation des surfaces imperméables et les modifications deschemins d’écoulement par les réseaux d’assainissement influencent leur hydrologie. Ces modificationssont notamment liées aux choix de modes de gestion des eaux pluviales : réseaux unitaires,réseaux séparatifs, infiltration à la parcelle, etc. La modélisation hydrologique spatialisée, quirend compte de l’hétérogénéité des bassins versants, est un outil permettant d’évaluer les différentsenjeux en termes d’occupation du sol et de gestion des eaux pluviales. Cependant, peu demodèles ont été construits pour être appliqués aux bassins périurbains, à l’échelle des gestionnaires(˜ 100 km2) et pour des simulations sur de longues périodes (&gt; 10 ans). La modélisationhydrologique doit donc être adaptée afin de mieux capter les spécificités des milieux périurbainstelles que l’hétérogénéité de l’occupation du sol et la connexion de certaines zones urbaines à unréseau d’assainissement.Ce travail de thèse a consisté à développer un nouvel outil de modélisation adapté à ces problématiques: le modèle distribué horaire J2000P. Ce modèle simule les processus hydrologiquesen milieux ruraux et urbains et prend en compte les réseaux d’assainissement, les connexionsà ces réseaux et les déversements des déversoirs d’orage (DO). Le modèle a été mis en oeuvresur le bassin périurbain de l’Yzeron (˜ 130 km2), situé à l’ouest de Lyon. L’évaluation, effectuéeà l’exutoire de différents sous-bassins de tailles et d’occupations du sol différentes, montre desrésultats très encourageants. Le modèle a tendance à sous-estimer le débit mais la dynamiquedes pics est bien représentée tout comme le déversement des DO. Suite aux résultats de l’évaluation,une analyse de sensibilité « pas à pas » du modèle a été réalisée et différentes hypothèsesde fonctionnement du bassin ont été formulées pour améliorer la compréhension du modèle etdes processus représentés. Le modèle a ensuite été utilisé pour tester l’impact de modificationsde l’occupation des sols et/ou de la gestion des eaux pluviales sur la réponse hydrologique. Lemodèle montre que la gestion de l’occupation du sol a moins d’influence sur l’hydrologie dubassin que la gestion du réseau d’assainissement<br>Growing urbanization and related anthropogenic processes have a high potential to influencehydrological process dynamics. Typical consequences are an increase of surface imperviousnessand modifications of water flow paths due to artificial channels and barriers (combined and separatedsystem, sewer overflow device, roads, ditches, etc.). Periurban catchments, at the edgeof large cities, are especially affected by fast anthropogenic modifications. They usually consistof a combination of natural areas, rural areas with dispersed settlements and urban areas mostlycovered by built zones and spots of natural surfaces. Spatialized hydrological modeling tools, simulatingthe entire hydrological cycle and able to take into account the important heterogeneityof periurban watersheds can be used to assess the impact of stormwater management practiceson their hydrology.We propose a new modeling tool for these issues : the hourly distributed J2000P model.This model simulates the hydrological processes in rural and urban areas and takes into accountthe sewerage networks, connections to these networks and overflows from sewer overflow devices(SOD). The application site is the Yzeron catchment (˜ 130 km2), located in the West of Lyon.The evaluation, conducted at the outlet of different sub-basins with different sizes and landuse, shows very encouraging results. The model tends to underestimate the discharge but thedynamics of the peaks and the SOD overflows are well simulated. The model is also used to testthe impact of changes in land use and/or stormwater management on the hydrological response.The results show that land use management has less impact on the hydrology of the catchmentthan stormwater management

La modélisation à l’aide de l’approche RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) a été menée en trois dimensions, en considérant les régimes permanent et non permanent, dans le but de simuler les écoulements au niveau des jonctions, bifurcations et déversoirs d’orage. A travers ces trois exemples d’étude, plusieurs stratégies de modélisation (différentes combinaison lois de paroi/modèles de turbulence, différents algorithmes de couplage pression/vitesse, différents schémas de discrétisation spatiale, différentes conditions aux limites, différents types et tailles de maille, etc.) ont été testées et évaluées à l’aide de plusieurs indicateurs de performance (de type RMS –Root Mean Square) en s’appuyant sur les données de vitesses (vitesses moyennes in situ et champs de vitesses obtenus par PIV en laboratoire), hauteurs d’eau, débits (répartition de débits en bifurcation en laboratoire ou débits déversés in situ). Les résultats obtenus sont transposables aux autres cas de singularités et ouvrages spéciaux rencontrés en réseau d’assainissement et montrent que : i) les résultats des simulations 3D sont sensibles à la rugosité, aux conditions limites de hauteur et de vitesse ; ii) dans les trois cas d’étude, les schémas de discrétisation du second ordre et l’algorithme de couplage pression/vitesse PISO sont appropriés ; ii) la loi de paroi scalable couplée aux modèles de turbulence de type k-ε pour le cas des jonctions (avec un débit latéral inférieur ou égal au débit principal) ou des déversoirs semblent convenir, tandis que le modèle de turbulence RSM associé à la loi de paroi enhanced ou scalable permet de mieux représenter les écoulements à travers les bifurcations ou au niveau des jonctions lorsque le débit latéral est dominant. Sur la base de ces résultats, une méthodologie de modélisation plus générale définie en six étapes et fondée sur le guide proposée par Jakeman et al. (2006) a été mise au point. La méthodologie ainsi définie a été utilisée pour i) améliorer l’instrumentation du déversoir OTHU (Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) situé à Ecully, à partir de la simulation de sa courbe de fonctionnement et en fournissant les incertitudes sur les débits déversés obtenus ; ii) simuler l’implémentation des capteurs débitmétriques à l’aval d’une jonction. Elle a permis de concevoir et de dimensionner un nouveau dispositif de maîtrise des flux d’eau et de polluants déversés (technologie DSM – dispositif de surveillance et de maîtrise des flux déversés au milieu naturel). Ce dispositif a fait l’objet d’un dépôt de brevet international. Enfin, la mise en œuvre de cette méthodologie a été à l’origine de la découverte d’une nouvelle structure d’écoulement dans la branche latérale d’une bifurcation à 90°. L’analyse des résultats des simulations des écoulements mettant en évidence cette nouvelle structure a montré qu’il était possible de prédire l’apparition de cette dernière à partir du rapport d’aspect et du nombre de Froude<br>The understanding of sewer flows behaviour is a key component for better urban drainage monitoring and management. However, these flows are conveyed across singularities (such as bends, drops, deviations, etc.) and special structures (combined sewer overflows –CSOs–, channels junction, dividing flow structures, etc.). These singularities and specific structures exhibit complex geometries, leading to open channel turbulent, three-dimensional and multiphase (pollutants and storm and sewer waters) flows. Using three-dimensional CFD (Computational Fluid Dynamics) platform allows a better understanding of mechanisms of contaminants transport through these structures and singularities, leading to a better sewer monitoring. In this thesis, 3D-RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) modelling approach under steady-state conditions is used in order to study flows within CSOs, junctions and bifurcations. Through these three structures, several modelling strategies (wall law/turbulence model combination, velocity/pressure coupling algorithm, spatial discretisation schemes, boundary conditions, computational mesh –shape and size of cells–, etc.) are tested and evaluated thanks to performance indicators (such as RMS –Root Mean Square– indicators) based on velocities (in situ mean velocities and PIV velocity fields obtained in laboratory), water depths and discharge (discharge repartition for bifurcation in laboratory or in situ overflow discharge, for CSOs). Results deriving from these tests are transposable to other singularities or special structures encountered in sewer network and suggest that: i) simulated CFD results are sensitive to the roughness coefficient; ii) for the three studied structures, second-order discretisation schemes and SIMPLE or PISO velocity/pressure coupling algorithm are appropriate; iii) scalable wall function associated to the group of k-ε turbulence model for junction flows (with a lateral inflow lower or equal to the main inflow) or for CSOs is appropriate, whereas RSM turbulence model associated to enhanced wall function allows a better representation of bifurcation flows or junctions flows when the lateral inflow is greater than the main inflow. Based on these results and on Jakeman et al. (2006) guideline, a six steps-methodology focused on the using of RANS approach modelling has been proposed. This six steps-methodology is used in order to i) enhance the monitoring of an OTHU (Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) CSO located at Ecully accounting for uncertainties on overflow discharge values ;ii) simulate the performance of flowmeters downstream of a junction, defining the best location for these sensors. This methodology is used to design the new overflow discharge measurement device. This device is an international patent. Finally, the application of the methodology led to point out a new flow structure, occurring in the downstream lateral branch of a 90° bifurcation

En santé publique, de nouveaux programmes de surveillance et de gestion sont à proposer notamment pour les masses d'eaux fortement affectées par l'urbanisation et les rejets urbains par temps de pluie. Les niveaux, les réservoirs et les sources de contamination microbiologique des milieux aquatiques doivent être évalués et identifiés, et leur incidence sur la dissémination des bactéries pathogènes et les risques d'exposition des populations humaines comprises. Parmi les agents pathogènes retrouvés dans les milieux hydriques, Pseudomonas aeruginosa représentent une préoccupation sanitaire majeure. A partir de deux sites expérimentaux, les objectifs de ce travail de thèse furent de définir la contribution des rejets d'eaux usées sur la prévalence de P. aeruginosa dans les cours d'eau récepteurs et d'étudier l'écologie des formes introduites dont ces habitats incluant leur dynamique spatiotemporelle. Les sédiments, les biofilms de surface (périphyton) et les végétaux aquatiques submergés, permettraient leur survie voire la multiplication de certains génotypes de Pseudomonas aeruginosa. La répartition des indicateurs de contaminations fécales et de la bactérie pathogène Aeromonas caviae ont également été étudiée. Il a été mis en évidence que les forces hydrauliques, le morpho-dynamisme de la rivière et les variations saisonnières étaient des facteurs structurants de la répartition des contaminants microbiens analysés. La dangerosité des souches isolées a été évaluée et montré que toutes les souches avaient un potentiel de virulence élevée. Ceci s'est confirmé par la détection de clones épidémiques majeurs au sein de la collection dont des souches apparentées aux clones PA14 ou C. Les capacités métaboliques de ces souches ont été étudiées dont leur antibio-résistance<br>In Public Health, new monitoring and management programs are needed, especially for the aquatic environments strongly affected by urbanization and urban wet weather discharges. The levels, reservoirs and sources of microbiological contamination of the aquatic environment should be assessed and identified, and their impact on the spread of pathogenic bacteria and the risk of exposure of human populations understood. Among the pathogens found in water environments, Pseudomonas aeruginosa is of major health concern. From two experimental sites, the objectives of this work were to define the contribution of wastewater discharges on the prevalence of P. aeruginosa in receiving watercourses and study the ecology of the introduced forms, including their spatiotemporal dynamic and preferential habitats. Sediments, surface biofilms (periphyton) and the submerged aquatic vegetations appeared to favour the survival or growth of some genotypes of Pseudomonas aeruginosa. The distribution of fecal indicator bacteria and of Aeromonas caviae were also studied. It was highlighted that hydraulic forces, the morpho-dynamics of the river and the seasonal vaiations were determinant factors in the distribution of the analyzed microbial contaminants. The health hazard of the clones found in these systems was estimated through indirect molecular approaches. It was shown that all Pseudomonas aeruginosa strains had a high virulence potential and that some were related to the PA14 and C clones which are spread worldwide and pathogenic

Les rejets urbains par temps de pluie dégradent l’état écologique des écosystèmes aquatiques et peuvent induire une exposition des populations humaines aux contaminants chimiques et microbiens (bactéries, virus, parasites). L’objectif de ce travail de thèse était d’évaluer les effectifs et de prédire le devenir de bactéries pathogènes introduites dans les milieux aquatiques par une source majeure comme les eaux usées rejetées par des dispositifs tels que les déversoirs d’orage (DO) et les lagunes d’épuration (WWTL). La répartition d’un agent pathogène fortement liée aux milieux hydriques, Pseudomonas aeruginosa, a été comparée avec celles observées pour des indicateurs de contaminations fécales (E. coli et les entérocoques intestinaux), mais également avec celle de l’espèce pathogène Aeromonas caviae. La dangerosité des formes retrouvées dans ces milieux a été évaluée par approches moléculaires (PFGE et MLST). Les résultats obtenus montrent un fort apport en P. aeruginosa via les eaux usées, avec un effet significatif sur les effectifs observés en fonction de l’intensité des pluies et des périodes de temps sec, et les fluctuations du régime hydrologique et des paramètres physico-chimiques. Une grande diversité infra-spécifique des P. aeruginosa, et la capacité de certains génotypes à s’installer durablement dans ces milieux (macrophytes et périphyton) ont été observées. Certaines souches ont par ailleurs montré une parenté avec des lignées d’infections communautaires, ou encore des clones épidémiques majeurs (PA14 et C). Des études en microcosme ont été effectuées pour valider les interactions observées avec certains macrophytes, et identifier des propriétés d’adhérence bactérienne (dont les lectines) impliquées dans ces interactions. Ces travaux ont impliqué une analyse de la distribution des gènes lecA et lecB, codant des lectines chez P. aeruginosa, et une étude de leurs ligands. Le gène lecA a été localisé dans une zone de forte plasticité génomique. Ces travaux ont permis la description d’une nouvelle structure de l’adhésine LecB<br>Urban wet-weather discharges degrade the ecological status of aquatic ecosystems and may expose human populations to chemical and microbial contaminants (bacteria, viruses, parasites). The aim of this thesis was to evaluate the numbers and predict the fate of pathogenic bacteria introduced into aquatic ecosystems by a major source like wastewater from devices such as combined sewer overflows (CSO) and wastewater treatment lagoons (WWTL). The distribution of a human pathogen closely linked to hydric environments, Pseudomonas aeruginosa, was compared with those observed for fecal indicators (E. coli and intestinal enterococci), but also with that of Aeromonas caviae pathogenic species. Dangerousness of strains found in these environments was evaluated by molecular approaches (PFGE and MLST). Obtained results showed a high contribution of wastewater in P. aeruginosa release, with a significant effect of rainfall intensity and preceding dry periods, in addition to changes in hydrological regime and physico-chemical parameters on recorded data. A large infra-specific diversity was observed within P. aeruginosa and the ability of some genotypes to colonize permanently aquatic surfaces (macrophytes and periphyton) were observed. Some strains showed a kinship with lineages of community infections or major epidemic clones (PA14 and C). Microcosm studies were performed to validate observed interactions with macrophytes, and to identify bacterialadhesion properties (including lectins) involved in these interactions. These investigations involved analysis of the distribution of lectin encoding loci lecA and lecB within P. aeruginosa, and a study of their ligands. lecA was located in a highly unstable genomic region. This work allowed the description of a new structure of the adhesin LecB

Les rejets urbains par temps de pluie constituent un problème majeur pour les gestionnaires de l'eau en région parisienne. Une meilleure caractérisation des matières organiques rejetées par temps de pluie permet de mieux évaluer la désoxygénation du milieu récepteur, la Seine. Un bassin versant expérimental a été choisi en proche banlieue parisienne pour étudier les eaux usées par temps de pluie. Les résultats montrent que les flux sont une fonction du cycle journalier des eaux usées et de l'intensité des pluies. En journée par temps sec, les teneurs en polluants et les débits sont plus élevés que pendant la nuit. Les flux des polluants déversés pendant la journée sont ainsi supérieurs aux flux rejetés la nuit à pluie égale. Dans les réseaux de petite taille et de faibles pentes, un dépôt de temps sec peut être remis en suspension par des pluies intenses et augmenter temporairement la charge polluante. Les matières organiques du réseau en temps sec sont mieux et plus rapidement dégradables qu'en temps de pluie. La biodégradabilité des matières en suspension dans le réseau diminue avec l'intensité des pluies en raison d'un apport de carbone faiblement dégradable par les eaux de ruissellement et les dépôts en réseau. L'effet toxique des rejets urbains de temps de pluie sur le milieu récepteur a été étudié au laboratoire sur une population mixte du phytoplancton de la Seine. Nos études montrent que les rejets peuvent diminuer la production primaire de la Seine de l'ordre de 60% après une dilution au cinquième, cette inhibition est principalement due aux micropolluants organiques et partiellement aux métaux lourds, dont le zinc. Les effets varient fortement avec la composition des rejets, la toxicité des métaux en particulier dépendant de leur état de complexation. Le comportement de la matière organique et des bactéries hétérotrophes rejetées par temps de pluie dans le milieu récepteur a été étudié en Seine après d'importants rejets du principal déversoir de la région parisienne. Lorsque la dilution du rejet est inférieure à 10%, les effets sur le milieu sont peu sensibles. Les masses d'eau usée ont pu être suivies in situ à l'aide de la conductivité et des concentrations d'oxygène. Une relation entre la quantité de carbone organique dissous biodégradable rejetée et le déficit d'02 a pu être établie. La matière organique fixée aux matières en suspension sédimente très rapidement et ne participe pas directement à la désoxygénation. La désoxygénation in situ est principalement due aux bactéries allochtones, apportées par le rejet, de taille supérieure à 1µm. Leur croissance est plus élevée que celle des bactéries fluviales, mais leur vitesse de disparition l'est aussi. Les polluants toxiques du rejet sont susceptibles de diminuer la production du phytoplancton et d'aggraver ainsi les déficits de près d'un milligramme d'oxygène voire plus en période de forte production. Ces données permettent des simulations détaillées de l'évolution de l'oxygène dissous en Seine suite aux principaux rejets de l'agglomération parisienne.

La crue de 1910 de la Seine a eu une incidence directe sur le fonctionnement des différents réseaux (réseau électrique, assainissement des eaux usées, transport, eau potable). Le réseau RATP a été particulièrement atteint dans son fonctionnement. Les dommages qu’une crue centennale pourrait engendrer aujourd’hui risquent d’être plus importants encore car le réseau actuel est plus vulnérable du fait des nombreux équipements électriques et informatiques qu’il comporte. La majorité des émergences (les entrées d’eau) de la RATP est située en zone inondable. Lors d’une crue majeure de la Seine, les écoulements dus aux inondations se propagent directement dans la partie souterraine et centrale du réseau (Métro et RER) par le biais de ces émergences. Cette thèse s'intéresse à la simulation hydrodynamique des écoulements dans le réseau RATP en utilisant le logiciel MIKE URBAN dédié à la modélisation des réseaux d’assainissement. Cette modélisation nécessite une bonne connaissance de l’origine des écoulements pour mieux les prendre en compte. En effet, le réseau RATP est inondé par les eaux superficielles et les eaux d’infiltration. Afin de mieux quantifier les volumes entrants dans le réseau, un modèle physique d’une bouche de métro type a été réalisé. Les résultats des essais physiques ont permis de valider un modèle numérique qui caractérise les écoulements autour d’une bouche de métro et quantifie les volumes entrants. Cela a permis également de proposer une formule théorique de débit tenant compte de la géométrie d’une bouche de métro. Les écoulements par infiltration sont quant à eux modélisés en fonction de la charge de la nappe et validés avec des mesures in situ. Ce travail de recherche a comme objectif d’améliorer et valider un modèle de simulation. Il s’agit de mettre en œuvre un outil opérationnel d’aide à la décision qui permettra à la cellule inondation de la RATP de bien comprendre le fonctionnement de son réseau afin d’améliorer son plan de protection contre le risque inondation<br>The 1910 flood of the Seine had a direct impact on the functioning of the different networks (Electricity network, sewerage, transport, water distribution). The RATP network was particularly affected in its functioning. The damage that centennial flood could cause today may be even greater because the current network is more vulnerable because of the numerous electrical and computer equipment that it comprises. The majority of the emergences (The water ingress) of the RATP is located in flood areas. During a major flooding of the Seine, the flows due to the floods propagate directly into the underground and central part of the network (Metro and RER) through these emergences. This thesis is interested in a hydrodynamic simulation by MIKE URBAN, Model used to model the RATP network due to its MOUSE engine developed by DHI for the sewerage networks. This work also presents the results obtained on a physical model of a subway station. The experimental data were used to model water ingress within the RATP network from the subway station. Network protection against infiltration requires a thorough knowledge of underground flow conditions. Infiltrations through the tunnels are estimated numerically. The aim of this research is to improve and validate a simulation model. It is a question of implementing an operational decision support tool which will allow the flood cell of the RATP to understand the functioning of its network in order to improve its flood risk protection plan

En France les filtres plantés à écoulement vertical sont utilisés pour le traitement des surverses de déversoir d’orage (CSO en anglais). Ils sont efficaces pour le traitement des polluants ainsi que pour assurer un rôle de tampon hydraulique permettant de protéger les milieux hydriques superficiels. Ils ont la particularité de recevoir des effluents bruts dont la fréquence, l’intensité, la durée et les concentrations sont stochastiques. En conséquence de quoi l’optimisation du dimensionnement est particulièrement délicate. Dans ce travail, le dimensionnement est abordé suivant deux approches. D’une part en définissant les processus clefs pour une optimisation du dimensionnement et, d’autre part, en construisant un modèle dynamique simplifié (Orage)permettant de prendre en compte, sur le long terme, le caractère stochastique des évènements et les contraintes locales. Le cœur du modèle a été calibré et validé sur une large gamme d’évènements mesurées sur un site en taille réelle (site de Marcy l’Etoile). La qualité de la calibration a été validé aussi bien visuellement que statistiquement et la robustesse du modèle étudiée par une analyse de sensibilité (méthode de Morris). L’optimisation automatique du dimensionnement a nécessité la réalisation d’une boucle itérative également paramétrée et testée dans le cadre du site de Marcy l’Etoile et pour des cas théoriques. Les dimensionnements proposés ont été estimés réalistes. La définition des processus clefs du système de traitement, et le développement du modèle simplifié, a également été possible grâce à la simulation d’expérimentations sur colonnes par un modèle mécaniste (HYDRUS / CW2D). La paramétrisation des processus du modèle simplifié a été réalisée sur la base d’expérimentations détaillées sur le site de Marcy l’Etoile. Le site a été suivi pendant trois ans aussi bien par des prélèvements automatiques, des traçages, que des mesures en lignes (hydraulique, azote, teneur en eau). Parmi les processus calibrés, nous retiendrons i) l’importance du niveau de saturation de la base du filtre au début d’un évènement vis-à-vis des court circuits hydrauliques, ii) la définition des capacités d’adsorption de l’azote ammoniacale de différents matériaux (pouzzolane, mélange de sable et de zéolite) et iii), la définition des cinétiques de nitrification suivant la température et quantité d’azote ammoniacal adsorbé. Si les performances de l’ouvrage sont hautes pour les paramètres majeurs (MES, DCO, N-NH4), l’impact du dimensionnement, de la gestion et des facteurs environnementaux sur les performances et l’accumulation de boue a été étudié. De plus, quelques suivis ont été réalisés sur les métaux et les HAP. Ces mesures ont permis non seulement de calibrer le logiciel Orage mais aussi de proposer des modifications pour l’amélioration du dimensionnement<br>Constructed wetlands for combined sewer overflow treatment (CSO CWs) are vertical flow filters in France. They effectively remove pollutants and mitigate hydraulic peaks, which protects natural waters. They receive unsettled flows with stochastic return periods, volumes and concentrations, making design optimization difficult. In the presented work, design is targeted from two sides. First, the scientific basis is laid down for the design-support software Orage. The tool is model-based and as such, it considers the stochasticity of CSOs site-specifically. Its core model has been calibrated and then verified by a range of tests. Simulations fit to measured data from a full-scale CSO site (Marcy l’Etoile). The goodness of fit is evaluated visually and statistically. Model robustness has been confirmed by a sensitivity analysis (Morris method). After this, the iterative shell has been parameterized and tested (the software element doing automatic optimization). The design proposals of the tool have been found realistic. The other approach to target optimization has been a detailed field research at Marcy l’Etoile. The site at Marcy l’Etoile has been monitored for three years, using automatic samplers and online probes. The filling of the porous media at event start proves and explains shortcutting behaviour. Adsorption capacities have been quantified for pozzolana and a sand and zeolite mixture. A temperature-dependent equation is calibrated to calculate nitrification rate. System efficiency is high for target pollutants (TSS, COD, NH4-N). Design, operational and environmental factors have been analysed to seek potential effects on removal performances and sludge accumulation. Additionally, PAHs and metals are indicated for a few selected events. The field results were essential to calibrate Orage and to see options for design improvements. The understanding of CSO CWs and the development of Orage was promoted also by simulating lab-scale columns using the process-based model package HYDRUS / CW2D