METADIER MARJOLAINE - Lgcie - INSA de Lyon

fiche thèse 2007-2008
Laboratoire de Génie Civil
et d’Ingénierie
Environnementale
NOM ET PRENOM : METADIER MARJOLAINE
Utilisation de séries chronologiques continues à court pas de temps pour la formulation, le
calage et la validation de modèles de flux polluants rejetés vers les milieux aquatiques en temps
de pluie par les systèmes d’assainissement urbains, dans une perspective opérationnelle
Contexte :
Pendant les 30 dernières années, les modèles de calcul des flux polluants (MCFP) en réseau
d’assainissement par temps de pluie ont été élaborés à partir de données expérimentales discrètes
(résultats d’analyses sur prélèvements), disponibles en faibles quantités en raison de contraintes
techniques (et financières) limitant les échantillonnages. De ce fait, la dynamique des flux polluants
reste mal évaluée, mal connue et donc et mal représentée dans les modèles. Par ailleurs, les jeux de
données insuffisants ne permettent pas un calage satisfaisant des modèles (Mourad et al., 2005a). La
validation, lorsqu’elle n’est pas simplement oubliée, est rarement effectuée de manière satisfaisante, le
plus souvent, là encore, en raison du manque de données en quantité suffisante (Gromaire et al.,
2002). Plus fondamentalement, des travaux récents (programme MCFP financé par le RGCU en 2001-
2004, auquel a participé le LGCIE (Laboratoire de Génie Civil et d’Ingénierie Environnementale,
anciennement Laboratoire URGC) ont montré que les modèles eux-mêmes étaient largement
discutables : problèmes de sur-paramétrage, d’indécidabilité et/ou de corrélation des paramètres de
calage, non représentativité, problème d’équifinalité, non prise en compte des incertitudes, etc.
(Anderson et Bates, 2002 ; Bouteligier et al., 2004 ; Kanso, 2004 ; Korving et Clemens, 2004 ;
Mourad et al., 2005a, Bertrand-Krajewski, 2006a, b). Tous ces éléments contribuent à une utilisation
opérationnelle des modèles par les gestionnaires et les bureaux d’études qui demeure peu satisfaisante
(Mourad et al., 2005b), renforcée par le fait que les techniques et méthodes d’aide au calage et à la
validation ne sont guère mises en œuvre hors du cercle limité des chercheurs.
Depuis quelques années, de nouvelles techniques métrologiques (capteurs in situ, tels que les
turbidimètres ou les spectromètres UV-visible) ont permis d’acquérir en continu et à pas de temps
courts (de l’ordre de 1 à 5 minutes) des séries chronologiques représentatives des flux polluants à
différentes échelles de temps, de l’événement pluvieux à l’année (Langergraber et al., 2003 ; de
Bénédittis et Bertrand-Krajewski, 2005, Gruber et al., 2005). Des techniques d’analyse temporelle,
utilisées avec succès dans d’autres disciplines que l’hydrologie urbaine (Labat et al., 1998, 2000 ;
Larocques et al., 1998) semblent prometteuses pour améliorer tout à la fois notre connaissance des
phénomènes et proposer et tester de nouvelles approches de modélisation.
Travail demandé (démarche scientifique) :
Dans ce contexte, les objectifs principaux de la thèse sont les suivants :
1. Application des séries chronologiques de l’OTHU à des modèles existants : tests, calages,
évaluation et propagation des incertitudes, etc. Les modèles existants seront de plusieurs
types : modèles simples à concentration constante, modèles de type multi-régression, modèles
plus élaborés de type accumulation-érosion-transfert. L’objectif consiste à déterminer si les
séries chronologiques continues à court pas de temps peuvent permettre un meilleur calage (en
augmentant notablement la masse de données élémentaires disponibles) des modèles existants,
ou si, au contraire, la dynamique des phénomènes ainsi mise en évidence met en défaut ces
modèles. Les questions seront posées en termes de quantités minimum / optimum de données
nécessaires au calage et à la validation, de prise en compte et de propagation des incertitudes
des données pour évaluer les incertitudes sur les paramètres et sur les résultats des modèles,

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ceci pour différents objectifs opérationnels tels que, par exemple, une étude diagnostic, un
suivi pour l’autosurveillance réglementaire, un dimensionnement d’ouvrage de traitement des
rejets urbains de temps de pluie, etc. La recherche d’algorithmes de calage les plus pertinents
pour cette étude sera partie intégrante du travail.
2. Validation métrologique approfondie et exploitation des séries chronologiques (par exemple
turbidité ou absorbance UV), avec application des méthodes d’analyse temporelle, afin de
mieux connaître les phénomènes mis en jeu et de mieux définir les stratégies métrologiques
les plus pertinentes (pas de temps et d’espace notamment) afin d’améliorer les connaissances
sur les flux polluants par temps de pluie, leur dynamique et leur variabilité ; les séries
chronologiques seront issues de l’OTHU (Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) à
Lyon, de séries disponibles ou acquises pendant la thèse par Safege ou ses clients, et de séries
obtenues dans le cadre de possibles collaborations avec d’autres laboratoires académiques
français (ENPC, LCPC) ou étrangers (TU Graz, Autriche ; TU Delft, NL ; Monash University,
Melbourne, Australie). Il s’agira de pouvoir disposer de séries correspondant à des contextes
variés : réseaux unitaires ou séparatifs, grands et petits bassins versants, etc. Disposer de
mesures redondantes pour un même site (pour au moins un site) permettra de comparer les
dynamiques de signaux différents (par exemple turbidité et absorbance UV, ou turbidité et
spectres UV-visible, etc.).
3. Elaboration, formulation et test de nouveaux modèles plus aptes que les modèles existants à
représenter la dynamique des flux polluants à différentes échelles de temps allant de la minute
à l’année. Il s’agit là de la partie la plus créative et innovante de la thèse, avec une recherche la
plus ouverte possible (modèles mathématiques classiques, modèles à réseaux de neurones,
modèles dérivés de l’analyse des séries temporelles, etc.). L’objectif est d’identifier des
modèles plus faciles à mettre en œuvre et à caler que les modèles existants, pour différents
types de besoins opérationnels. Il s’agira de combiner au mieux aspects scientifiques
rigoureux (méthodes spécifiques de calage, analyse de sensibilité, propagation des
incertitudes, robustesse, analyse des corrélations éventuelles entre paramètres et reformulation,
etc.) avec aspects opérationnels (réponse des modèles à des besoins opérationnels
de bureaux d’études et/ou de gestionnaires de systèmes d’assainissement, besoins en données
pour le calage et la vérification, etc.).
4. Analyse de ces nouveaux modèles : analyse de sensibilité, adaptation des techniques et
algorithmes de calage, prise en compte de l’autocorrélation au sein des séries chronologiques
dans l’évaluation des incertitudes des paramètres et des résultats des modèles, évaluation des
quantités de données requises pour atteindre des niveaux spécifiés de calage et de validation,
aptitude à la prévision des flux polluants. Cette partie vise à aboutir à des modèles et des
méthodes d’utilisation véritablement opérationnels. Un effort pédagogique particulier, en
partenariat avec les personnels du bureau d’étude Safege, sera consacré à la rédaction de
procédures et d’exemples détaillés permettant le transfert des résultats de la recherche vers une
utilisation opérationnelle.
Résultats attendus :
Au niveau scientifique :
- meilleure connaissance de la dynamique des rejets urbains de temps de pluie (RUTP).
- validation approfondie des techniques de mesure par capteurs et des séries chronologiques
correspondantes.
- application des méthodes d’analyse temporelle développée dans d’autres champs scientifiques
au cas de l’hydrologie urbaine.
- mise au point et validation de méthodes de calage et de vérification adaptée à la fois aux séries
chronologiques et au modèle de flux polluants des systèmes d’assainissement.
- formulation de nouveaux modèles.
- analyse de sensibilité, de robustesse et propagation des erreurs dans les modèles.

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Au niveau opérationnel :
- mise au point et tests sur des cas réels des nouveaux modèles.
- meilleure connaissance des techniques avancées de calage et de vérification des modèles.
- diffusion de ces connaissances et outils au sein de Safege.
Directeur de thèse :
INSA de Lyon :
Jean-Luc Bertrand-Krajewski, HDR
LGCIE – INSA de Lyon
jean-luc.bertrand-krajewski@insa-lyon.fr
Encadrement SAFEGE :
Pierre-Antoine Jarrige
pierre-antoine.jarrige@safege.fr
Membres du comité de thèse : Wolfgang Rauch, Tim Fletcher
Nature du financement : Convention CIFRE (Conventions Industrielles de formation par la
Recherche)
Date prévue de soutenance : Mai 2010
Références bibliographiques
Anderson M.G., Bates P.D. (2002). Model validation – Perspectives in Hydrological Science.
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Bouteligier R., Vaes G., Berlamont J. (2004). Urban drainage water quality modelling software: the
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Gromaire M.-C., Cabane P., Bertrand-Krajewski J.-L., Chebbo G. (2002). Operational use of urban
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Gruber G., Bertrand-Krajewski J.-L., de Bénédittis J., Hochedlinger M., Lettl W. (2005). Practical
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Proceedings of the 10th International Conference on Urban Drainage, Copenhagen, Denmark, 22-
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Kanso A. (2004). Evaluation des modèles de calcul des flux polluants des rejets urbains par temps de
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Labat D., Ababou R., Mangin A. – 1998 – Study of Non Linearities in Karstic Systems Using Wavelet
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Labat D., Ababou R., Mangin A. – 2000 – Multifractal and Wavelet Analyses in Karstic Hydrology :
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Langergraber G., Fleischmann N., Hofstaedter F. (2003). A multivariate calibration procedure for
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Larocques M., Mangin A., Razak M., Banton O. - 1998 - Contribution of correlation and spectral
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Mourad M., Bertrand-Krajewski J.-L., Chebbo G. (2005a). Calibration and validation of multiple
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Ruban G., Bertrand-Krajewski J.-L., Chebbo G., Gromaire M.-C., Joannis C. (2005). Précision et
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