Pouvons-nous incorporer les effets du changement climatique dans la conception d’infrastructures de gestion des eaux usées ?

Le changement climatique aura des répercussions sur la conception et la performance des infrastructures de gestion des eaux usées, en particulier les infrastructures de collecte et de traitement des eaux usées. Pouvons-nous nous préparer aux changements climatiques projetés et concevoir nos systèmes dès aujourd’hui de façon à répondre aux besoins de demain ?

Le changement climatique influe grandement sur notre travail en tant que professionnels de la gestion des eaux usées.

Par exemple, concernant les événements pluviohydrologiques (p. ex. les tempêtes sur 25 ans), les hausses de précipitations prévues auront une incidence sur les intervalles de récurrence, ce qui signifie que les tempêtes seront de plus grande ampleur à l’avenir par rapport à celles observées aujourd’hui (échelle nationale), ce qui aura d’importantes répercussions sur la conception des systèmes de gestion des eaux usées.

Dans le cadre de l’initiative Conçu pour l’avenir de WSP, nous avons étudié les tendances en matière de changement climatique afin de mieux comprendre l’accroissement de la variabilité climatique. Nous observons actuellement une hausse de la température à la surface des terres, ainsi qu’une augmentation du contenu thermique des océans. Ces deux phénomènes sont à leur tour liés à une augmentation de la vapeur d’eau dans l’atmosphère et à une diminution des glaces de l’Arctique durant les mois estivaux. Tous ces facteurs altèrent le cycle de l’eau; la variabilité des précipitations sera plus marquée dans certaines zones. Nous pouvons nous attendre à l’avenir à des hivers plus humides, à des pluies plus fréquentes que les chutes de neige, et les événements pluviaux extrêmes seront deux fois plus fréquents d’ici 2050.

 

Observatoire de la Terre de la NASA

Application des données

Ces connaissances n’ont pas encore sérieusement été intégrées dans les processus décisionnels du domaine de la gestion de l’eau et des eaux usées. Cela est peut-être dû au degré élevé d’incertitude dans les données disponibles et à l’augmentation des coûts d’immobilisation requis pour concevoir et construire des infrastructures capables de gérer ces changements. Cela peut aussi s’expliquer par le manque de réglementations contraignant les municipalités à démontrer clairement leur engagement dans la lutte contre le changement climatique.

La ville de Barrie joue un rôle de premier plan en essayant de comprendre les meilleures données dont elle dispose en matière de changement climatique et d’agir en conséquence. Dans le cadre de sa stratégie d’adaptation au changement climatique, la ville de Barrie a examiné et modélisé les données climatiques prévisionnelles dans le but de prendre des décisions éclairées ayant trait au dimensionnement d’un dispositif d’atténuation des pics dans l’usine municipale de traitement des eaux usées.

Afin d’analyser les répercussions possibles du changement climatique sur les infrastructures de gestion des eaux usées, un simple diagramme de flux a été établi. Ce diagramme est en conformité avec le Protocole d’ingénierie du Comité sur la vulnérabilité de l’ingénierie des infrastructures publiques (CVIIP) ainsi qu’avec les lignes directrices générales de l’Optique des changements climatiques d’Infrastructure Canada.

Diagramme d’analyse simplifié des changements climatiques

Définition de la portée

Les services de WSP ont été retenus pour déterminer la solution privilégiée en réponse aux débits de pointe dans les infrastructures de collecte des eaux usées de la ville de Barrie, et pour améliorer la capacité de traitement des événements de débit de pointe de l’usine de traitement des eaux usées. Il a été décidé que l’installation d’un dispositif unique d’atténuation des pics serait la solution privilégiée. À la suite de cette décision, les impacts du changement climatique sur ce nouveau dispositif de gestion des débits de pointe ont fait l’objet d’examens plus approfondis pour s’assurer que le réservoir a été adéquatement dimensionné sans être inutilement volumineux.

Paramètres du changement climatique

De nombreux paramètres climatiques pourraient avoir une incidence sur les infrastructures de gestion de l’eau et des eaux usées. Il est donc important de centrer l’analyse sur les paramètres climatiques qui auront un effet direct sur les infrastructures évaluées. Le tableau 1 ci-dessous résume les variables et paramètres qui peuvent être pris en compte dans une analyse des actifs de gestion de l’eau et des eaux usées, et comprend une brève description de leurs interactions.

VARIABLE CLIMATIQUE PARAMÈTRE CLIMATIQUE PERTINENCE POUR LES INFRASTRUCTURES DE GESTION DE L’EAU ET DES EAUX USÉES
PRÉCIPITATIONS Précipitations annuelles totales
  • Inondation des infrastructures, accroissement des charges exercées sur les ouvrages d’épuration des eaux usées, augmentation des niveaux d’eau de captage, probabilité accrue d’inondation/de débordement/de déversement des égouts, besoins en eau réduits et impacts de l’érosion.
  • Sécheresse entraînant la diminution de la disponibilité et de la qualité de l’eau.
  • Précipitations intenses entraînant des inondations et le débordement des bassins de rétention.
Précipitations mensuelles totales
Total des chutes de pluie mensuelles
Total des chutes de neige mensuelles
  • Vagues de chaleur (ayant des effets sur la disponibilité, la qualité et l’odeur de l’eau, sur la santé et la sécurité).
  • Vagues de froid (entraînant la rupture des conduites d’eau principales, ainsi que des difficultés de traitement).
TEMPÉRATURE Température moyenne annuelle
  • Heat waves (leading to impacts on water availability, water quality, odour, H&S).
  • Cold spells (leading to water main breaks, treatment challenges).
Température minimale annuelle
  • Gel-dégel des tuyaux et infrastructures.
Température maximale annuelle
  • Vagues de chaleur (ayant des effets sur la disponibilité, la qualité et l’odeur de l’eau, sur la santé et la sécurité).
Température moyenne mensuelle
  • Printemps et automnes plus longs (entraînant une saison de croissance plus longue, une augmentation des débits, des problèmes potentiels de déversement et de conformité).
Température minimale mensuelle
  • Gel-dégel des tuyaux et infrastructures.
Température maximale mensuelle
  • Vagues de chaleur (ayant des effets sur la disponibilité, la qualité et l’odeur de l’eau, sur la santé et la sécurité).
VENT Vitesse maximale moyenne annuelle des rafales
  • Charge exercée par le vent sur les actifs et les bâtiments.
Vitesse maximale moyenne mensuelle des rafales

Comme l’étude de la ville de Barrie portait principalement sur un nouveau réservoir d’atténuation des pics et sur l’amélioration de la capacité de traitement des événements de débit de pointe de l’usine de traitement des eaux usées, nous nous sommes concentrés sur les précipitations.

Paramètres climatiques de la ville de Barrie

En nous appuyant sur la compilation des récentes projections relatives au changement climatique de la ville de Barrie, nous avons pu exploiter les projections relatives aux températures, aux précipitations, aux pluies fortes et extrêmes, aux niveaux d’eau et à la température de l’eau.

La plupart des municipalités de l’Ontario ont réalisé des rapports prévisionnels similaires sur le changement climatique, qui constituent une excellente référence.

Dans notre cas, la ville de Barrie s’est servie de modèles climatiques et de scénarios d’émissions mondiaux pour réaliser certaines projections très particulières (ci-dessous). Les détails complets des projections relatives aux précipitations sont présentés dans le rapport, y compris les scénarios d’émissions de gaz à effet de serre (GES) à hypothèse haute et à hypothèse basse.

Résumé des changements climatiques projetés pour la ville de Barrie (extrait du rapport sur l’adaptation au changement climatique de la ville de Barrie)

Interaction climat-infrastructures

Pour comprendre l’impact du changement climatique sur les infrastructures, il est essentiel de comprendre l’interaction entre le climat et les infrastructures. Cette interaction est décrite en détail dans le protocole CVIIP et est illustrée dans la figure ci-dessous.


Interaction climat/infrastructures (extrait du protocole CVIIP)

 

Pour dimensionner un dispositif d’atténuation des pics, il convient de se concentrer sur l’interaction entre le système de collecte et les précipitations, là où les précipitations pénètrent dans le système, c’est-à-dire par captage et infiltration.

  • L’eau de captage fait référence aux eaux pluviales et à la neige fondue qui pénètrent dans le système de collecte des eaux usées depuis les raccordements directs, tels que les tuyaux de descente pluviale, les sections transversales, les collecteurs d’eaux pluviales et les couvercles des regards d’entretien.
  • L’infiltration se produit lorsque les eaux souterraines pénètrent dans le système de collecte par les fissures et les ouvertures des regards d’entretien, les canalisations secondaires et les tuyaux d’égout. Les niveaux élevés de captage et d’infiltration peuvent engendrer une limitation de la capacité du système de collecte des eaux usées, des hausses de débit vers l’usine de traitement et la dilution potentielle de la charge organique vers l’usine, autant de problèmes pouvant avoir une incidence sur l’efficacité du processus de traitement en cas de gestion incorrecte.

La hausse des niveaux de précipitations entraîne une augmentation des niveaux de captage et d’infiltration.

Analyse du climat et des infrastructures

Un modèle hydraulique dynamique a été élaboré et étalonné afin d’évaluer les contraintes de capacité du système de collecte des eaux usées dans les conditions actuelles. Ce modèle entièrement dynamique englobe le réseau d’égout sanitaire principal de la ville, ainsi que les stations de pompage et l’usine de traitement.

La performance du système a été évaluée à l’aide du modèle étalonné dans des conditions météorologiques sèches et humides. D’après ce modèle, il a été déterminé que la capacité du système de collecte des eaux usées est suffisante pour assurer le transport des débits de pointe par temps sec, et aucune préoccupation en matière de capacité n’a été identifiée.

Pour évaluer la performance du système par temps humide, plusieurs événements pluviohydrologiques de référence (tempêtes sur 2 ans, 5 ans, 10 ans et 25 ans) ont été utilisés comme paramètres d’entrée du modèle. Les événements pluviohydrologiques ont également été ajustés afin de refléter les effets potentiels du changement climatique. Pour l’ensemble de ces événements pluviohydrologiques, des conditions de surcharge ont été prédites dans certaines sections du système de collecte des eaux usées. Dans certains cas, les conditions de surcharge étaient excessives.
Des ajustements ont été apportés au modèle afin de prendre en compte les débits engendrés par une croissance future en 2021, 2036 et 2041. Les résultats du modèle ont été utilisés pour évaluer les besoins en stockage de l’usine de traitement des eaux usées dans des conditions de fortes pluies.

La modélisation a permis de définir les futurs débits de pointe par temps humide. D’après la capacité de pointe de l’usine, il apparaissait clairement qu’un réservoir d’équilibre est nécessaire pour gérer les débits de pointe, quelle que soit la répartition des pluies.

Il a été déterminé que les besoins en stockage du réservoir étaient compris entre 250 et 12 000 m3, selon la répartition des pluies utilisée dans l’analyse. La ville intègre cette analyse, ainsi que d’autres préoccupations pratiques telles que la disponibilité des terres, les conditions géotechniques et les coûts d’immobilisation. Un réservoir d’atténuation des pics de 12 000 m3 est prévu dans le cadre des plans d’immobilisation de la ville.

Conclusions

Les infrastructures que nous concevons et construisons aujourd’hui seront toujours en service dans plus de cent ans. En tant que professionnels de l’ingénierie, nous avons l’obligation d’évaluer les effets du changement climatique dans nos conceptions. Nous ne pouvons plus omettre ce type d’analyse dans notre travail de conception, au vu de l’étendue des données et études disponibles à l’appui des scénarios climatiques futurs en Ontario.

Toutefois, il n’est pas simple de concevoir et de construire des infrastructures capables de répondre aux effets du changement climatique et cela exige de prendre des décisions dans un contexte d’incertitude. Cela nécessite également des analyses détaillées des coûts-avantages et des risques. Il ne s’agit pas seulement d’ajouter un nouveau paramètre ou d’intégrer un nouveau facteur.

Selon les données disponibles, chaque municipalité peut améliorer sa résilience au changement climatique en se dotant d’infrastructures spécialement conçues pour faire face à ces changements futurs.

Auteurs

Michelle Albert
Directrice, Eau et eaux usées, Infrastructures
Canada
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Mike Nanos
Concepteur – Ressources en eau, Infrastructures
Canada
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Jacque-Ann Grant
Concepteur, Infrastructures verticales
Canada
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