Plusieurs approches réglementaires ont été développées pour assurer la protection des sources d’eau potable. Au Québec, le Règlement sur le prélèvement des eaux et leur protection (RPEP) exige la délimitation d’aires de protection spécifiques à l’intérieur de l’aire d’alimentation des prises d’eau potable. Cette délimitation est basée sur des distances fixes. Certaines activités, qui posent un risque pour la qualité de l’eau, sont restreintes dans ces zones protégées. Cependant, pour les eaux de surface, l’utilisation d’unités de distance n’est pas nécessairement représentative du temps disponible pour réagir face à une contamination puisqu’elle ne considère pas des facteurs tels que le contexte hydrologique, l’occupation du territoire et les cheminements préférentiels de l’eau qui influencent le temps de parcours des polluants. Le temps disponible pour l’intervention correspond à la somme du temps de cheminement (entre le point d’émission et l’arrivée du contaminant dans un cours d’eau à débit permanent) et du temps de parcours en cours d’eau à débit permanent (le transport du contaminant dans un cours d’eau à débit permanent jusqu’à la prise d’eau). L’objectif de ce projet est d’évaluer l’influence du temps de cheminement sur le temps disponible pour réagir. Le cas d’étude est bassin versant de la principale prise d’eau potable de la Ville de Québec. Cinq méthodes d’évaluation du temps de cheminement ont été évaluées, à savoir celle proposée par le RPEP, une évaluation de la longueur de cheminement à vol d’oiseau et selon le réseau de drainage ainsi que l’estimation du temps de cheminement selon la méthode du TR-55 et selon le réseau de drainage. Pour appliquer et comparer ces méthodes, 144 propriétés situées dans l’aire d’alimentation de la prise d’eau à l’étude ont été considérées. Pour ces propriétés, 30 cheminements de l’eau distincts ont été identifiés. Il a été constaté que la méthode d’évaluation des longueurs à vol d’oiseau n’est pas représentative du cheminement potentiel des contaminants. Les méthodes basées sur l’estimation des temps de cheminement présentent des résultats comparables bien qu’il serait pertinent d’appliquer ces méthodes à d’autres bassins versants pour valider les résultats. Les temps de cheminements estimés sont majoritairement situés dans un intervalle entre 0 et 15 min pour les deux méthodes appliquées sur le cas d’étude. Pour la méthode du TR-55 et selon le réseau de drainage, cet intervalle de temps représente le cheminement de 58 % et 64 % des propriétés analysées, respectivement. À partir des résultats obtenus, ce mémoire de recherche conclut que les temps de cheminement, bien qu’ils doivent être considérés dans la protection des sources d’eau potable, représentent une faible proportion du temps disponible comparativement aux temps de parcours en cours d’eau à débit permanent, qui eux sont beaucoup plus importants, de l’ordre de plus de 14,5 h dans le cas d’étude.

Le développement d'une sonde de traînée pour la mesure instantanée de la vitesse de l'aluminium en fusion dans une cellule d'électrolyse est l'objectif principal de ce projet de maitrise. L'effet de l'hydrodynamique des fluides sur l'efficacité énergétique d'une cuve d'électrolyse a incité les chercheurs à étudier ce phénomène par le biais de simulations numériques depuis plusieurs décennies. Cependant, il existe peu de données expérimentales disponibles pour valider les profils de vitesse obtenus à partir de ces simulations numériques. Une revue de la littérature sur les méthodes possibles de mesure de la vitesse dans une cellule d'électrolyse en aluminium a été réalisée. Cependant, la plupart des méthodes suggérées dans la littérature ne permettent pas de résoudre les problèmes de vélocimétrie à l'intérieur de la cellule d'électrolyse. La force du champ magnétique généré par le passage d’un fort courant dans les cuves d’électrolyse affecterait fortement les instruments électroniques. Une température élevée de l’aluminium allant jusqu'à 960°C est la raison pour laquelle de nombreuses techniques suggérées sont écartées. En outre, un environnement agressif de la cuve limite le choix des matériaux pour les méthodes avec des pièces immergées dans la cellule. Compte tenu de ces difficultés, une nouvelle tentative est entreprise pour mesurer la vitesse de l'aluminium en fusion avec une sonde de traînée inspirée par un dispositif éprouvé initialement utilisé pour la mesure de la vitesse du vent. Ce nouveau dispositif est conçu pour minimiser les effets de vortex, pour augmenter le coefficient de traînée et pour être applicable dans les cuves d’électrolyse. Ce document présente la sonde adaptée à la cuve d'électrolyse, son procédé de calibration et de validation dans un canal d'eau à température ambiante et les résultats obtenus en cuve d'électrolyse. Enfin, une conclusion sur les résultats obtenus et une suggestion de travaux futurs possibles est fournie / The development of a drag probe for instantaneous velocity measurement of molten aluminium in an electrolysis cell is performed in this master project. Because of the strong effects of flow hydrodynamics on energy efficiency of electrolysis cell, researchers studied this phenomenon through numerical simulations for decades. However, there is little experimental data to validate velocity profiles obtained from these numerical simulations. A literature review over possible methods for velocity measurement in aluminium electrolysis cell has been done. However, the challenges of velocimetry inside the electrolysis cell are beyond capabilities of most of methods suggested in literature. The high magnitude of the magnetic field from the passage of high DC current through the process would strongly affect electronic instruments. The high temperature of molten aluminium (up to 960°C) is reason to discard many suggested techniques. Besides, the aggressive environment of reduction cell limits the choice of materials for measurement methods with parts immersing inside the cell. Considering all those difficulties, a new attempt is undertaken to measure molten aluminium velocity with a drag probe inspired from a proven device first used for wind velocity measurement. The new device is designed to minimize vortex shedding, to increase the drag coefficient and to be applicable in the harsh environment of aluminium reduction cell. This document presents the probe developed for the electrolysis cell, its calibration in a water channel at room temperature, and the velocity results obtained within electrolysis cell.

L’objectif de ce projet est d’évaluer, en utilisant le bassin versant de la prise d’eau potable de la Ville de Québec sur la rivière Saint-Charles comme cas d’étude, les temps de parcours obtenus par modélisation hydrologique dans une optique de protection de sources d’eau potable. Préalablement à la modélisation, une analyse cartographique des occupations du territoire et des contaminants pouvant être relâchés a été faite afin de mieux comprendre les risques à la qualité de l’eau potable brute. Une méthodologie de modélisation hydrologique articulée autour du cas d’étude est développée en utilisant le Soil and Water Assessment Tools, SWAT, pour déterminer les temps de parcours de l’eau dans les rivières principales du bassin versant. Cette méthodologie s’appuie principalement sur les données climatiques, l’occupation du territoire, les types de sols et la topographie du territoire à l’étude. Le modèle est validé de façon à reproduire l’ordre de grandeur et les mêmes tendances que les débits observés aux stations débitmétriques actives sur le bassin versant. Pour différents scénarios de précipitations (sec, médian ou pluvieux) ainsi que différentes périodes de retour (hebdomadaire, mensuelle ou estivale), une analyse statistique permet de dégager les temps de parcours les plus probables pour chaque cas. Ces derniers sont comparés aux aires de protection des prises d’eau potable telles que définies par le Guide d’analyse de la vulnérabilité MDDELCC (2016). En comparant ces temps de parcours aux aires de protection des prises d’eau potable, il est possible de faire ressortir la grande variabilité dans les temps de parcours obtenus par modélisation hydrologique pour une même distance géographique tout dépendamment du scénario de précipitation et de la période de retour. Avec ces mêmes temps de parcours, une analyse qualitative de l’impact des changements climatiques sur les temps de parcours permet de faire ressortir une augmentation de la vulnérabilité de la prise d’eau aux aléas climatiques et anthropiques.

La prévision d’ensemble hydrologique est devenue un élément clé pour atténuer les effets des catastrophes naturelles (crues et sécheresses) et pour aider à la gestion des barrages (gestion du risque et de la ressource). Une approche probabiliste permet de représenter l’incertitude de prévision et de faciliter la prise de décision. Dans cette étude, un système automatique de prévision d’ensemble du débit tenant compte des principales sources d’incertitude est utilisé. L’incertitude météorologique est décrite en utilisant des prévisions d’ensemble météorologiques (MEPS) qui, malgré des améliorations constantes, peuvent rester localement biaisées et/ou peu fiables. Ces deux problèmes peuvent affecter la qualité de la prévision du débit et les décisions qui en résultent. Cette étude vise à évaluer si un post-traitement de la prévision météorologique est utile pour améliorer la prévision du débit produite par un système quantifiant les principales sources d’incertitude. Deux techniques de post-traitement météorologique sont utilisées pour corriger des prévisions de précipitation ECMWF : “Censored, Shifted Gamma Distribution” (CSGD) et “Distribution-based scaling” (DBS). Les prévisions de précipitations brutes et post-traitées sont utilisées pour forcer 20 modèles hydrologiques et obtenir des prévisions d’ensemble de débits. L’incertitude liée aux conditions initiales sont décrites par une assimilation de données (filtre d’ensemble de Kalman). Le post-traitement de la prévision de précipitation est évalué sur les sous-bassins de la rivière Gatineau au Québec en utilisant une évaluation multi-critères (diagramme de fiabilité, MCRPS...). Les résultats montrent une amélioration de la prévision météorologique en termes de fiabilité pour tous les bassins. Cette amélioration dépend de la quantité de précipitations, de l’horizon de prévision et de la saison. Les améliorations en termes d’exactitude sont plus modérées. Cependant, l’amélioration de la qualité de la prévision de précipitation a un impact faible sur la prévision du débit. / Ensemble streamflow forecast has become a key element to mitigate the effects of natural disasters such as floods and droughts and to help dam management (risk and resource management). A probabilistic framework allows to represent the uncertainty linked to the forecast and in this way help the decision making. In this study, an automatic streamflow ensemble prediction system that accounts for three sources of uncertainty is used. Meteorological uncertainty is accounted for by using a meteorological ensemble prediction systems (MEPS) which despite constant improvements remain locally biased and/or unreliable. These problems can affect the quality of the streamflow forecast and consequently, the resulting decision. This study aims at evaluating if a MEPS post-processing is useful to improve streamflow forecasts issued by a modeling chain that quantifies the main sources of uncertainty. Two MEPS postprocessing techniques were used to correct the ECMWF precipitation forecast: Censored, Shifted Gamma Distribution (CSGD) and Distribution-based scaling (DBS). The raw and post-processed ensemble precipitation forecasts are used as forcing variables to 20 rainfallrunoff models to produce ensemble streamflow forecasts. To consider the uncertainty arising from the initial conditions, the hydrological models benefit from data assimilation (Ensemble Kalman Filter). The post-processing of precipitation forecast is assessed over Gatineau’s sub-basins in Quebec using a multi-criteria evaluation (reliability diagram, MCRPS...). The results show an improvement in the meteorological forecast in terms of reliability for all the basins. This improvement varies by amount of precipitation, forecast lead time and season. The improvements in terms of accuracy were more moderate. However, the use of a meteorological post-processing technique did not lead to an improvement of the streamflow forecast.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2005-2006 / Les équations en eaux peu profondes, encore appelées équations de Saint-Venant, sont utilisées dans de nombreux cas importants comme les fleuves, les lacs, les estuaires et les océans. La conservation de certaines quantités est une propriété importante qui est habituellement désirée pour assurer la précision des simulations à long terme et également pour le cas des écoulements complexes avec présence d'ondes de choc. Cette thèse examine tout d'abord la formulation de schémas semi-Lagrangiens, qui sont bien connus pour demeurer stables pour des nombres très élevés de CFL. Cependant, ces schémas perdent leur propriété de stabilité lorsque la conservation totale des quantités, qui est cruciale pour une simulation correcte les ondes de chocs, est imposée. Un schéma semi- Lagrangien entièrement conservatif est développé ici et ce dernier demeure stable pour des nombres élevés de CFL. L'approche proposée est ensuite étendue à la méthode des caractéristiques (MOC) et une version conservative du schéma MOC est développée. Contrairement au schéma MOC original, qui ne peut pas simuler correctement les ondes de choc à cause du manque de conservation, le schéma proposé les simule avec succès. De plus, le nouveau schéma présente des avantages sur le plan numérique, tant pour la diffusion et la dispersion que pour la stabilité. Le cas 2D est ensuite considéré, et la méthode de volume finie est utilisée à cause de son conservation inhérente. Le cas 2D est ensuite considéré, et la méthode de volumes finis est utilisée à cause de ses qualités inhérentes de conservation. La plupart des méthodes numériques disponibles sont sensibles au problème du déséquilibre entre les termes source et de flux, particulièrement en présence d'un maillage non structuré. D'autre part, la plupart des schémas numériques disponibles (par exemple les schémas HLL et ENO) induisent un niveau élevé de diffusion numérique en simulant des écoulements tourbillonnaires. Trois approches différentes, applicables sur des maillages non structurés sont développées ici. Elles peuvent simuler des conditions complexes d'écoulement comprenant les topographies variables, les écoulements tourbillonnaires, trans-critiques et discontinus. Finalement plusieurs méthodes de volumes finis upwind sont utilisées, via une analyse de type Fourier, pour évaluer le niveau d`amortissement des modes de Rossby. Contrairement aux bons résultats habituellement obtenus par les méthodes de volumes finis upwind dans iii le cas d'écoulements dominés par la convection, on remarque ici que les ondes de Rossby sont amorties de manière excessive. / Shallow water equations arise in many important cases such as in rivers, lakes, estuaries and oceans. Conservation is an important property which is usually desired to ensure the accuracy of the long term simulations and also for the case of complex flows with shockwaves. This thesis begins with semi-Lagrangian schemes, which are well known to remain stable for very high CFL numbers. However, they lose their high stability property when the fully conservative property, which is crucial for a correct simulation of shock waves, is imposed. An inherently fully conservative semi-Lagrangian scheme is developed here which remains stable for high CFL numbers. The proposed approach is then extended to the method of characteristics (MOC) and a conservative extension of MOC is developed. Contrary to the original MOC, which is unable to simulate shockwaves due to the lack of conservation, the proposed scheme easily simulates them. Further, the new scheme presents favorable features in terms of numerical diffusion and dispersion. The 2D case is then considered, and the finite volume method is employed due to its inherent conservation properties. Most available numerical methods face the problem of imbalance between the source and flux terms, particularly when unstructured grids are used. On the other hand, most available numerical schemes (such as the HLL and the ENO schemes) induce a high level of numerical diffusion in simulating recirculating flows. Three different approaches using unstructured grids are successfully developed here. The new schemes can simulate complex flow conditions including recirculating, trans-critical and discontinuous flows over variable topographies. Finally, the performance of the upwind finite volume schemes, for Rossby waves, is studied using a Fourier analysis approach. Contrary to the usual good results obtained for those schemes in the case of convection dominated flows, it is observed here that they lead to an excessive damping of the Rossby modes.

L’objectif de ce projet est d’évaluer la performance du contrôle en temps réel (CTR) des bassins d’orage comme mesure d’adaptation aux changements climatiques. Le contrôle en temps réel permet de faire la gestion des eaux de ruissellement à l’aide de règles de contrôle réactif, qui considèrent l’état en différents points du réseau, et de règles de contrôle prédictif, qui considèrent les prévisions météorologiques dans la prise de décision. Le contrôle de l’orifice de sortie de l’ouvrage de stockage permet donc de limiter le choc hydraulique au cours d’eau récepteur, par la réduction et le décalage des débits de pointe, en plus de faire le traitement qualitatif par la rétention prolongée, qui permet la sédimentation des particules dans l’eau. Le CTR peut également permettre, selon la localisation adéquate de l’ouvrage contrôlé, de réduire la charge hydraulique dans les collecteurs en aval en retenant les volumes de ruissellement en temps de pluie, ce qui limite l’impact de l’augmentation des précipitations et du développement des municipalités en périphérie des centres-villes sur le réseau de conduites pluviales. Une stratégie de contrôle a été établie en fonction de la configuration des trois cas d’étude et des simulations en climat futur ont permis de démontrer que le CTR permet d’adapter un réseau de différentes façons. Le CTR d’un bassin d’orage en fin de réseau permet de décaler et limiter les débits de pointe en plus d’augmenter le temps de rétention de façon à réduire la charge en polluants dans les eaux pluviales. Pour un ouvrage de très grande dimension, le CTR réactif est suffisant pour faire la gestion de tous les événements fréquents sans causer de débordement de l’ouvrage de stockage. Pour une municipalité qui a peu d’espace en surface en fin de réseau, le CTR prédictif de conduites surdimensionnées réduit et décale les débits de pointe rejetés, ce qui permet l’ajout d’un ouvrage de traitement qualitatif. Toutefois, puisque l’espace est souvent limité dans les secteurs au centre-ville, en bordure des cours d’eau récepteur, la localisation stratégique des ouvrages contrôlés à l’amont est une solution alternative intéressante. Cette stratégie de contrôle permet non seulement de limiter le choc hydraulique au cours d’eau récepteur de la même manière qu’un CTR en fin de réseau, mais décale le ruissellement des développements en amont vers le collecteur principal, ce qui permet à une municipalité de pouvoir continuer à se développer en périphérie du centre-ville sans avoir à augmenter la capacité du réseau en aval. En résumé, le CTR permet à une municipalité d’adapter son réseau, peu importe sa configuration, de façon à faire face aux changements climatiques.

Les inondations causées par des épisodes de pluie sur neige en hiver risquent de survenir plus fréquemment avec les changements climatiques. La description de ces épisodes et la quantification de leur impact hydrologique ont été jusque-là peu considérées, en dépit des risques qu'ils posent pour les populations riveraines. Afin d'adapter les modèles prédictifs, il importe plus que jamais de mieux comprendre ces phénomènes. Cette étude examine les conditions initiales de la neige et du sol ainsi que le forçage météorologique ayant un impact sur la réponse hydrologique lors d'épisodes de pluie sur neige en hiver dans le sud du Québec. Sept bassins versants de tailles diverses (54 à 15 515 km²) et huit stations de mesures hydrométéorologiques sont analysés à cet effet. Deux types d'analyses sont proposées. La première est une analyse statistique basée sur des données hydrométriques et météorologiques gouvernementales pour la période allant de 2009 à 2021, ayant permis de définir 95 épisodes de pluie sur neige (ici définis comme un minimum de 3 mm pendant une période de 24 h). On remarque que seuls 55% des épisodes ont un impact hydrologique notable, défini comme Pluie avec ruissellement. Les principaux facteurs affectant la présence d'une réponse hydrologique sont la quantité totale de pluie, la durée de la précipitation et la hauteur initiale de neige. D'autre part, une étude de cas basée sur un travail de terrain ciblé avant, pendant et après deux épisodes de pluie sur neige survenus en février 2022, a notamment permis d'observer les processus de métamorphisme de la neige, de même que la disparité spatiale dans les propriétés du couvert de neige à l'échelle d'un site et même de diverses zones du sud du Québec. La variabilité au niveau de la géographie et les différences de superficie entre les bassins versants sont proposées comme étant les principaux facteurs qui vont contraindre la réponse d'un bassin versant à un épisode de pluie sur neige, en plus de l'occupation du territoire, du type de sol et de l'altitude.

Trente-quatre essais d'écoulement provenant de quatre groupes d'auteurs ont été sélectionnés dans la littérature afin d'étudier l'instabilité interne de matériaux de faible plasticité soumis à l'écoulement de l'eau et initiée par suffosion. Les essais sélectionnés ont tous été effectués dans un perméamètre en appliquant les contraintes hydrodynamiques de manière ascendante et par palier. L'objectif était de déterminer la vitesse critique (vcr(l))p qui initie la mobilisation des particules fines dans les pores de la structure prédominante des matériaux, soit celle qui forme les constrictions. La méthode d'analyse présentée par Kovacs et Ujfaludi (1983), mettant en relation la résistance à l'écoulement ([Delta]h/Q) en fonction de la charge totale appliquée ([Delta]h), a été utilisée afin de déterminer les vitesses critiques (vcr(¹))p. Les essais ont tous été réinterprétés avec cette méthode et celle-ci a permis d'extraire des conditions critiques à des stades inférieurs durant les essais comparativement aux méthodes d'analyses utilisées par leurs auteurs respectifs. Ainsi, par cette approche, un nouveau critère de stabilité interne, basé sur celui développé par Kovacs et Ujfaludi (1983) pour l'application sur les puits, a été proposé pour l'étude des barrages en remblai. Puis, toujours suite à l'analyse des essais avec la méthode [Delta]h/Q - [Delta]h, les matériaux utilisés lors des essais ont été classés en trois catégories selon leur type de comportement sous écoulement après la vitesse critique (vcr(¹))p dans le repère [Delta]h/Q - [Delta]h. Il a ensuite été discuté que la sélection de matériaux stables pour l'étude des barrages doit tenir compte du type de comportement sous écoulement des matériaux et doit inclure un critère admissible de perte de fines, tel que présenté par l'approche russe. Enfin, via l'étude de certains paramètres qui influencent la vitesse critique, il a été démontré que la seule façon d'obtenir une tendance dans les résultats était de représenter dans un repère cartésien logarithmique les vitesses d'écoulement critiques (vcr(¹))p par rapport à la conductivité hydraulique (K) des matériaux.