Le comté de San Diego utilise des données en temps quasi réel pour réduire les débits par temps sec
Pour protéger les masses d'eau californiennes, le comté de San Diego s'est associé à des sociétés d'ingénierie et de conseil telles que Wood Environment and Infrastructure, Inc. (Wood) pour mettre en œuvre un programme de surveillance du débit qui identifie les événements transitoires à fort débit et suit les réductions de débit par temps sec d'une année sur l'autre.
Le comté de San Diego, le deuxième comté le plus peuplé de Californie, est bordé par plus de 70 miles de côtes et certains des plus beaux sites de loisirs aquatiques des États-Unis. Le comté de San Diego est l'un des nombreux Copermittee* du San Diego Regional Municipal Separate Storm Sewer System (MS4) Permit* chargé de protéger la qualité de l'eau le long du littoral, qui peut être affectée par des flux d'eaux non pluviales ou "par temps sec" dans le réseau d'égouts pluviaux. Pour protéger ces masses d'eau, le comté de San Diego s'est associé à des sociétés d'ingénierie et de conseil telles que Wood Environment and Infrastructure, Inc. (Wood) pour exécuter un programme de surveillance du débit qui identifie les événements transitoires à fort débit et suit les réductions de débit par temps sec d'une année sur l'autre. Depuis 2017, Wood utilise des enregistreurs de données METER et des capteurs de niveau d'eau pour fournir des données de débit de haute qualité afin de répondre aux besoins du programme.
Données de flux en temps quasi réel
L'écoulement par temps sec, ou "écoulement d'eaux non pluviales", est toute eau entrant dans le MS4 au cours d'une journée normale sans précipitations**. L'écoulement par temps sec peut transporter des bactéries et d'autres polluants et est causé par des sources transitoires telles que l'irrigation excessive, la vidange d'une piscine, le lavage de voitures et le déversement illégal d'eaux usées, ainsi que par des sources à écoulement constant telles que l'infiltration des eaux souterraines et les ruptures de canalisations souterraines. Neil Searing, planificateur de l'utilisation des sols et de l'environnement pour le comté de San Diego, explique : "L'un de nos principaux objectifs est de réduire les polluants en réduisant les flux d'eaux non pluviales dans le cadre de notre permis MS4. Nous devons mesurer ces objectifs, et c'est là que le programme de surveillance entre en jeu. Nous avons besoin d'un moyen de quantifier les réductions de débit pour voir si nos stratégies sont efficaces".
Le comté de San Diego surveille chaque année environ 80 à 90 émissaires MS4 pour les débits par temps sec, de mai à octobre. L'approche principale utilisée sur la plupart des sites combine un déversoir en V, le capteur HYDROS 21 de METER (niveau d'eau, température et conductivité électrique) et un enregistreur de données connecté à cloud. L'enregistreur transmet les informations à un logiciel de gestion des données appelé ZENTRA Cloud qui permet aux utilisateurs de consulter les données à distance en temps quasi réel.
Lorsque des débits anormaux ou élevés sont identifiés, le personnel du comté de San Diego et de Wood mène des actions de sensibilisation et d'éducation pour réduire ces sources de débit. Le fait de voir les données en temps quasi réel permet de détecter les débits élevés, de prendre des décisions rapides et d'assurer une gestion fondée sur les données. Jeremy Burns et Alex Messina sont des scientifiques de l'environnement de Wood qui dirigent les aspects techniques et l'analyse des données du programme de surveillance des débits. Jeremy Burns explique : "Le plan d'amélioration de la qualité de l'eau (WQIP) de San Diego vise à atteindre différents objectifs réglementaires pour se conformer à son permis NPDES . L'un de ces objectifs consiste à réduire en pourcentage le débit par temps sec au fil du temps. Les autorités suivent les débits par temps sec sur un grand nombre de sites afin de déterminer si les mesures de gestion ont été efficaces. Ils utilisent les données sur les débits que nous collectons pour découvrir les problèmes potentiels. Par exemple, lorsque nous observons des périodes récurrentes de pics de débit, le comté de San Diego se rend sur place et observe le site. Il se peut qu'il trouve un arroseur cassé qui s'écoule dans le collecteur d'eaux pluviales et qu'il demande aux habitants de le réparer.
La figure 3 est un exemple de site présentant des débits élevés réguliers, probablement dus à une sur-irrigation nocturne. Des débits élevés sont observés chaque nuit vers minuit. La fonction "Target Ranges" de ZENTRA Cloud permet à Wood de fixer des seuils facilement visibles pour les débits élevés. Le gris indique que le niveau d'eau est inférieur à l'encoche en V du déversoir (pas d'écoulement), le vert indique que l'eau s'écoule à travers l'encoche en V, le jaune indique que l'eau s'écoule dans la partie rectangulaire du déversoir, et le rouge indique que le déversoir est complètement submergé. Le niveau de la batterie est également indiqué.
Quelle est la sensibilité/précision des déversoirs en V ?
Messina explique que le déversoir à encoche en V est très sensible aux variations de débit, même s'il s'agit simplement d'un arroseur qui ne fonctionne pas. En règle générale, il est facile de voir les pics dans les données. Les déversoirs à encoche en V sont sensibles à de très faibles variations de débit, bien que cela dépende de la quantité d'eau qui se trouve derrière le déversoir. Dans certaines zones où le tuyau d'arrivée est plat, vous pouvez avoir 50 gallons d'eau accumulés derrière le déversoir. Si le débit est faible, il faut un certain temps pour que l'étang du déversoir se remplisse. Mais une fois ce bassin rempli, l'eau s'écoule directement. Dans certains cas, nous sommes limités par l'infrastructure. Nous installons un déversoir qui fait refluer l'eau, puis celle-ci s'infiltre par une fissure dans la canalisation. Mais dans d'autres zones, nous détectons un seul arroseur qui s'est déclenché et les données atteignent un pic pendant cinq minutes avant de redescendre.
Par rapport aux mesures de débit dans les cours d'eau naturels, l'utilisation de déversoirs à encoche en V permet une très grande précision et une faible incertitude. Pour les comparaisons d'une année sur l'autre, la précision des données doit être très élevée pour détecter de petits pourcentages de changement dans les débits, et la qualité des données du déversoir dépend directement de la précision et de la fiabilité du capteur de niveau d'eau. L'utilisation de capteurs de niveau d'eau ventilés comme le HYDROS 21 élimine l'incertitude liée à la compensation barométrique qui serait nécessaire pour un transducteur de pression non ventilé, et supprime une étape du traitement des données afin de réduire les coûts d'analyse. Le comté de San Diego et Wood ont mené une étude comparative de différents transducteurs de pression en laboratoire et sur le terrain et ont constaté que le capteur METER HYDROS 21 (anciennement appelé CTD) offrait une performance réelle de +/-0,1 pouce de précision (Burns, 2019).
Combinaison de plusieurs sources de données
Les données de débit collectées au cours de différentes années ont montré des niveaux variables de débit de base constant dans de nombreux émissaires de la MS4. On a émis l'hypothèse que l'augmentation du débit de base était due à des précipitations hivernales antérieures plus importantes qui faisaient monter le niveau de la nappe phréatique et provoquaient des infiltrations dans le MS4. Le comté de San Diego et Wood ont mené une étude de suivi des sources de débit par temps sec afin de déterminer les contributions des eaux de captage et des eaux souterraines aux débits totaux.
Messina explique que de multiples sources de données permettent d'identifier les différentes sources d'écoulement par temps sec afin que le comté de San Diego puisse prendre des décisions en connaissance de cause. "Nous examinons la dynamique des flux, la géochimie et les isotopes stables pour voir si nous pouvons caractériser les sources d'eau. Les rapports d'isotopes stables ne changent pas lorsque l'eau se déplace dans le bassin versant et conservent la signature de leur source d'origine (eau du robinet ou eau souterraine), ce qui en fait de bonnes données de référence. La dynamique de l'écoulement peut ensuite être combinée aux données sur les isotopes stables. Par exemple, si le débit est constant et que les données isotopiques indiquent de l'eau du robinet, il s'agit probablement d'une canalisation qui fuit. Si les isotopes indiquent qu'il ne s'agit pas d'eau du robinet, la source constante est probablement l'eau souterraine. Nous utilisons également la géochimie pour nous aider à détecter des sources spécifiques d'eau du robinet, comme l'eau recyclée utilisée pour l'irrigation. Nous utilisons également d'autres indicateurs, comme les agents de surface (MBAS). Si nous détectons des agents tensioactifs, par exemple, cela indique un ruissellement de surface provenant, par exemple, d'une station de lavage de voitures".
Burns explique que les données de conductivité électrique fournies par les capteurs du site HYDROS 21 sont également utiles. Nous avions l'habitude de mesurer uniquement le niveau de l'eau. Mais l'un des avantages du passage au capteur
Mais l'un des avantages du passage au capteur HYDROS 21, outre son prix abordable et la télémétrie en temps quasi réel, est la mesure de la conductivité. Elle a ajouté une nouvelle facette aux données que nous analysons maintenant. Elle est particulièrement utile pour déterminer si la sonde est sèche (il n'y a pas d'eau à l'intérieur) ou si un débit élevé entraîne une modification de la conductivité, par exemple en raison de pluies éparses et localisées qui ne sont pas détectées par les pluviomètres. C'est un autre point de référence qui nous aide à comprendre s'il s'agit d'un apport d'eau souterraine ou d'eau du robinet dans le collecteur d'eaux pluviales".
Enseignements tirés
Messina explique qu'au cours du projet, ils ont appris que la mesure du débit dans les collecteurs d'eaux pluviales était plus compliquée qu'il n'y paraissait au premier abord. Il explique : "Même s'il s'agit d'un projet "à faible débit", certains collecteurs d'eaux pluviales ne sont pas du tout à faible débit. La rupture d'une bouche d'incendie ou la vidange d'une piscine modifient considérablement le débit. Cette large gamme de débits est un problème car les déversoirs ont une plage de débit cible recommandée, ce qui signifie que certains déversoirs sont conçus pour des débits faibles et d'autres pour des débits élevés. Le capteur de niveau HYDROS 21 peut s'adapter à la large gamme de niveaux d'eau que nous mesurons derrière les déversoirs. En outre, tout le monde pense que nous mesurons le débit dans un système étanche. Mais il s'avère qu'il y a de nombreuses fissures dans les conduites, là où l'eau entre ou sort. Dans certains cas, la mesure du débit est compliquée par des infrastructures construites qui ne figurent pas sur les cartes existantes. Un projet immobilier peut acheminer un ruisseau naturel vers un collecteur d'eaux pluviales, car c'est l'endroit le plus facile pour gérer l'eau qui s'écoule à travers le projet. Nous mesurons donc un mélange de systèmes naturels et de systèmes construits par l'homme, ce qui est bien plus complexe que nous ne l'avions imaginé au départ.
Messina ajoute qu'il peut être compliqué de comprendre les données de débit et les sources de débit par temps sec. Il existe des facteurs de confusion. Par exemple, s'il pleut plus ou moins au cours d'une année, les nappes phréatiques influencent-elles les débits que nous observons ? Par ailleurs, lorsque les différences absolues sont faibles, la différence relative (ou différence en pourcentage) peut être très élevée, ce qui n'est pas forcément instructif. Par exemple, si le débit passe de 0,1 à 0,2 gallon par jour sur un seul site, la différence est de 100 %. Ce n'est pas parce qu'il y a un changement de pourcentage apparemment important que le comté de San Diego doit consacrer des ressources à cette question.
Succès du programme
En ce qui concerne le succès du programme d'amélioration de la qualité de l'eau du comté de San Diego en général, Burns déclare : "Je pense que nous avons fait du bon travail en expliquant les complexités de ce qu'ils ont à gérer. Et je pense que cela a été utile". Les données sur le débit ont été utilisées pour convaincre les parties prenantes de mettre en place les meilleures pratiques de gestion, telles que l'ajout de zones tampons de végétation et la conversion à des aménagements paysagers tolérants à la sécheresse afin de contrôler la sur-irrigation. Les données de débit recueillies l'année suivante ont montré que ces efforts ont permis de réduire les débits dans les collecteurs d'eaux pluviales en aval (Wisniewska et Messina, 2019).
L'avenir du projet
Les exigences de réduction des eaux non pluviales du permis MS4 continueront d'obliger les co-permittees régionaux à s'engager dans l'éducation et la sensibilisation et à surveiller le débit du MS4 afin d'évaluer la réalisation des objectifs WQIP. Bien qu'il serait bénéfique pour les parties régionales de suivre une approche similaire pour la surveillance du débit, il existe une variété de méthodes qui peuvent être employées. Cet article décrit brièvement les nombreux défis posés par la surveillance des faibles débits et une approche précise utilisant des déversoirs personnalisés avec des capteurs METER HYDROS 21 et des enregistreurs de données connectés à cloud. L'un des principaux avantages des données en temps quasi réel est la possibilité de détecter les anomalies et de réagir rapidement.
À METER, les capacités de ZENTRA Cloud sont constamment améliorées grâce à la collaboration à des projets réels avec des groupes tels que le comté de San Diego et Wood. Parmi les améliorations futures, citons la programmation des dispositifs de débit primaire pour afficher les valeurs de débit en temps réel plutôt que le seul niveau ; les seuils d'alarme multiples qui tiennent compte d'une variété ou d'une combinaison de paramètres ; et les notifications par SMS et par courrier électronique à des groupes ou à des individus. Les notifications permettent aux équipes d'être très réactives aux conditions environnementales et, idéalement, d'améliorer la capacité à observer les sources de débit et à y remédier en temps voulu. Alors que les agences continuent de rechercher des sources de débit difficiles et souvent éphémères, un accès souple, abordable et convivial à des données fiables est un allié essentiel pour atteindre les objectifs de réduction des débits.
Références :
Burns, Jeremy. 2019. "How Accurate are My Flow Data ? Water Level Sensor Evaluation to Assess Confidence in Compliance Assessments" Conférence annuelle de l'Association californienne pour la qualité des eaux pluviales (CASQA). Octobre 2019. (Lien de la présentation)
Wisniewska, Joanna, et Messina, Alex. 2019 "Flow Source Forensics : Utilisation de plusieurs sources de preuves pour identifier et quantifier les sources d'écoulement par temps sec". Conférence annuelle de l'ACSAQ. Octobre 2019. (Lien de la présentation)
Notes :
*Ordonnance n° R9-2013-0001, modifiée par les ordonnances n° R9-2015-0001 et R9-2015-0100. National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES) Permit and Waste Discharge Requirements for Discharges from the Municipal Separate Storm Sewer Systems (MS4s) Draining the Watersheds within the San Diego Region.
**La définition du temps sec du permis MS4 est la suivante : "Le temps est considéré comme sec si les 72 heures précédentes n'ont pas été marquées par des précipitations mesurables (> 0,1 pouce)".
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