Ce mémoire présente le projet de recherche d'estimation de coefficients de dégradation du chlore résiduel libre aux parois de conduites dans un réseau de distribution d'eau potable par échantillonnage à grande échelle de longues sections de conduites ayant des caractéristiques similaires (même diamètre, matériau et période d'installation). Nous avons effectué une analyse cartographique par quartiers du principal réseau de distribution d'eau potable de la Ville de Québec (Canada) couvrant une grande variété de chemins hydrauliques et une évaluation des concentrations de chlore résiduel libre et total, ainsi que leurs coefficients de dégradation dans l'eau à différentes températures. À l'aide du logiciel de modélisation hydraulique EPANET et d'un scénario réaliste de demandes moyennes en eau pour simuler les chemins hydrauliques et les temps de séjour de l'eau, nous avons élaboré une base de données des coefficients de dégradation du chlore résiduel libre aux parois de conduites en fonction du diamètre, du matériau et de la période d'installation. / The purpose of this research was to estimate pipe wall chlorine degradation coefficients in water distribution systems by full-scale sampling of long sections of pipes with similar characteristics (same diameter, material and period of installation). Map analysis of neighbourhoods were conducted on the main distribution network in Quebec City (Canada) covering a wide variety of hydraulic paths and assessment of free and total residual chlorine concentrations, and their decay coefficients at different water temperatures. Using EPANET hydraulic modelling software and a realistic scenario of average water demands for simulating hydraulic paths and water residence times, a database of chlorine decay coefficients associated to pipe wall was elaborated in function of diameter, material and period of installation.

Les réseaux de distribution d'eau potable (RDE) revêtent une grande importance dans la gestion des eaux en milieu urbain. Avoir de bonnes informations sur les paramètres qui impactent la qualité de l'eau dans les RDE peut améliorer significativement la gestion des systèmes de distribution d'eau à la fois à court terme, en optimisant les indicateurs de qualité de l'eau, et à long terme, en facilitant la planification stratégique des décideurs. Obtenir des données à l'échelle réelle sur la dégradation du désinfectant secondaire pour différentes caractéristiques de tuyaux est à la fois difficile et impératif pour une gestion efficace de la qualité de l'eau. Les coefficients de réaction cinétique de dégradation du chlore associés au volume d'eau ($k_b$) et à la paroi du tuyau ($k_w$) jouent un rôle essentiel dans la dégradation de la qualité de l'eau. Cependant, la détermination de ces coefficients peut être un processus coûteux et chronophage. Deux indicateurs clés pour évaluer la qualité de l'eau dans un RDE sont CCRL et le temps de séjour de l'eau (TSE). Pour maintenir la CCRL dans des plages acceptables dans l'ensemble du RDE, le placement stratégique et le fonctionnement de stations de rechloration se révèlent avantageux, offrant une option plus flexible et économique par rapport à l'injection de chlore uniquement à l'usine de traitement de l'eau (UTE) ou dans les réservoirs. En revanche, la réduction du TSE peut être réalisée en utilisant des vannes de régulation de débit (*flow control valve*, FCV) pour modifier les parcours hydrauliques, présentant une approche multifacette pour assurer et optimiser la qualité de l'eau dans l'ensemble d'un RDE. Cette recherche aborde ces problèmes en se concentrant sur la détermination des caractéristiques importantes des tuyaux et du système hydraulique qui influencent sur les coefficients de dégradation du chlore. La nouveauté de la recherche se concentre sur la génération de nouvelles données et le développement de méthodes, dans le but de dériver des stratégies pour gérer la qualité de l'eau dans ses nombreux aspects, tels que les CCRL détectables et les temps de rétention de l'eau, à tout moment et n'importe où dans un réseau de distribution d'eau de manière rentable. À travers des analyses statistiques, les caractéristiques des tuyaux et du système hydraulique les plus importantes sont identifiées en les corrélant avec les coefficients de dégradation $k_b$ et $k_w$ estimés dans des conditions à l'échelle réelle dans le RDE principal de la ville de Québec. La recherche identifie également les caractéristiques et les emplacements de tuyaux les plus pertinents pour la détermination spécifique des coefficients de dégradation du chlore dans le RDE. Divers scénarios de valeurs de $k_b$ et $k_w$ sont évalués et comparés avec des données mesurées dans le RDE. Le scénario le plus précis est comparé au scénario le moins coûteux pour identifier les informations les plus efficaces nécessaires, en tenant compte de facteurs tels que l'emplacement dans le RDE et les caractéristiques des tuyaux (période d'installation, diamètre et matériau). Enfin, cette étude vise à développer une approche adaptative à l'échelle réelle unique et innovante pour la gestion rentable des FCV et des stations de rechloration dans le RDE. Cette approche améliore non seulement la qualité de l'eau, mais maintient des plages de pression et de CCRL acceptables, fournissant des informations précieuses pour une gestion efficace du système. La méthodologie proposée est également appliquée au RDE de la ville de Québec, en considérant trois formulations d'optimisation: 1) optimisation du fonctionnement des FCV, 2) optimisation du fonctionnement des stations de rechloration, et 3) une combinaison des deux, appelée gestion adaptative. Les résultats ont montré que la période d'installation influence significativement le $k_w$, notamment pour les tuyaux installés avant 1960. En ce qui concerne les matériaux, les tuyaux en fonte grise présentent une dégradation plus importante des parois que les tuyaux en fonte ductile et en PVC. Dans le RDE de la ville de Québec, les valeurs les plus élevées du coefficient cinétique obtenues correspondaient étroitement aux données de 2020, soulignant le besoin de coefficients cinétiques précis pour des prédictions plus proches de la réalité. Un modèle adaptatif a optimisé les opérations du RDE, améliorant notablement la qualité de l'eau en réduisant le nombre de nœuds avec un CCRL inférieur à 0,2 mg/l de 88% grâce à l'optimisation des stations de rechloration. Cette recherche complète, composée de trois articles interdépendants, aborde chacun des aspects distincts mais interconnectés. Cette recherche facilite la gestion adaptative des réseaux de distribution municipaux dans le monde entier, améliorant la prise de décision concernant la rechloration dans les RDE. Elle vise à minimiser les risques sanitaires et les coûts associés à la désinfection secondaire tout en tenant compte des chemins hydrauliques et de la qualité de l'eau. / Water distribution systems (WDS) have a great importance in the management of urban waters. Having good information about the parameters that impact water quality in WDS can significantly enhance the management of water distribution systems in both the short-term, through optimizing water quality indicators, and the long-term, by facilitating strategic planning by decision makers. Obtaining full-scale data on the degradation of residual disinfectant for various pipe characteristics is both challenging and imperative for effective water quality management. The chlorine degradation kinetic reaction coefficients associated with the bulk volume of water ($k_b$) and at the pipe walls ($k_w$) during water distribution play an essential role in water quality degradation. However, determining these coefficients can be costly and time-consuming. Two key indicators in evaluating water quality within a WDS are free residual chlorine concentration (FRCC) and water residence time (WRT). To maintain FRCC within acceptable ranges across the entire WDS, the strategic placement and operation of chlorine booster stations proved advantageous, providing a more flexible and economic option compared to the exclusive injection of chlorine at the water treatment plant (WTP) or in tanks. Conversely, the reduction of WRT can be achieved by using flow control valves (FCV) to modify hydraulic paths, presenting a multifaceted approach to ensuring and optimizing water quality throughout a WDS. This research addresses these issues by focusing on determining important pipe and hydraulic system characteristics that influence chlorine degradation coefficients. The research novelty focuses on the generation of new data and the development of methods, aiming to derive strategies to manage water quality in its many aspects, such as detectable FRCC and WRT, at any time and anywhere in a WDS cost-effectively. Through statistical analyses, the pipe and hydraulic system characteristics are identified by correlating them with $k_b$ and $k_w$ degradation coefficients estimated in full-scale conditions within Quebec City's primary WDS. The research also pinpoints the most relevant pipe characteristics and locations for the accurate determination of chlorine decay coefficients in the WDS. Various scenarios of $k_b$ and $k_w$ values are evaluated and compared with measured data in the WDS. The most accurate scenario is compared with the lowest-cost scenario to identify the most effective information needed, considering factors such as location within the WDS and pipe characteristics (period of installation, diameter, and material). Finally, this thesis develops a unique and innovative adaptive full-scale approach for cost-effective management of FCV and chlorine booster stations in WDS. This approach not only enhances water quality, but also maintains acceptable pressure and FRCC ranges, providing valuable insights for effective system management. The proposed methodology is also applied to Quebec City's main WDS, considering three optimization formulations: 1) FCV operation optimization, 2) chlorine booster station operation optimization, and 3) a combination of the two, termed adaptive management. The results showed that the installation period significantly influences $k_w$ specially for the pipes installed before 1960. Regarding the materials, grey cast iron pipes showing higher degradation at walls than ductile cast iron and PVC pipes. In Quebec City's WDS, the highest values of obtained kinetic coefficient closely matched the 2020 data, highlighting the need for accurate kinetic coefficients for precise predictions. An adaptive model optimized the WDS operations, notably improving water quality by reducing nodes with FRCC less than 0.2 mg/l by 88% through optimizing chlorine booster stations. This research thesis, comprising three interrelated papers, each paper addresses distinct but interconnected aspects. This research facilitates adaptive management for municipal distribution networks worldwide, improving decision-making on WDS rechlorination. It aims to minimize health risks and costs associated with secondary disinfection while considering hydraulic paths and water quality.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / Ce mémoire présente une méthodologie pour évaluer et diminuer les temps de séjour en réseau de distribution d'eau potable afin d'améliorer globalement la qualité de l'eau. Cette procédure est développée sur le réseau de la ville de Québec. Une campagne d'échantillonnage au traceur a été conduite pour évaluer les temps de séjour de l'eau. Des échantillons ont été analysés pour déterminer la dureté de l'eau afin d'identifier les interconnexions avec un réseau voisin. Afin de valider les hypothèses de celles-ci, une campagne supplémentaire sur la conductivité a été menée. Un modèle du réseau a été construit afin de simuler les temps de séjour et de vérifier les stratégies pour les réduire. Ce modèle a été calé par un algorithme d'optimisation à partir de débits et de pressions observés. Les résultats montrent que la méthodologie développée atteint les objectifs visés et qu'elle peut être appliquée à d'autres réseaux de distribution.

Ce mémoire porte sur les impacts des stratégies d’économies d’eau potable sur la chloration secondaire de réseaux de distribution d’eau potable (RDEP) à l’échelle municipale. Il présente également une méthodologie pour l’élaboration d’un modèle de prédiction des concentrations de chlore résiduel libre (CCRL) en réseau selon les différentes cinétiques de dégradation. Ce type de modèle permet aux gestionnaires de réseaux de réduire davantage les zones vulnérables en cas de contamination microbiologique de l’eau par un meilleur contrôle sur les CCRL. Une campagne d'échantillonnage sur le terrain a tout d’abord été mené pour mesurer les CCRL d’un RDEP. Les résultats de cette campagne ont permis le calage d’un modèle hydraulique et le calage de modèles cinétiques de dégradation du chlore résiduel libre. Ces modèles ont été jumelés afin d’obtenir un modèle prédictif des CCRL dans lequel la dégradation du chlore a été simulée avec des constantes cinétiques prédéterminées. Le modèle obtenu est utilisé pour simuler les CCRL de différents scénarios de répartition des débits. Ces scénarios correspondent à l’évolution des consommations d’eau de 2011 à 2016. Cette méthodologie a été testée sur trois RDEP du Québec (Canada) avec des populations desservies de 6 900 à 18 700 habitants. Pour ces études de cas, l’augmentation des temps de séjour, reliée à la réduction des débits, a produit une réduction des CCRL en réseau. Pour remédier à la situation, une augmentation de la CCRL à l’entrée des RDEP de 7% à 13% a été requise afin d’obtenir des CCRL similaires en 2016 par rapport à 2011. Cette augmentation pourrait aller jusqu’à 18% avec l’atteinte d’un scénario de gestion optimale de la consommation en eau. Les résultats ont validé la méthodologie développée en lien avec les objectifs visés démontrant ainsi les impacts de la réduction des débits sur la variabilité spatio-temporelle de la CCRL de RDEP à l’échelle municipale. / The main objective of this study is to investigate the impacts of drinking water conservation strategies on residual chlorine in a water distribution system (WDS) at the municipal scale. This study was designed to develop a methodology to predict free residual chlorine (FRC) according to its decay rates in WDS through microbiological and chemical reactions in the bulk phase and at the pipe wall. This prediction can be useful for operators, managers and engineers to reduce microbiological risks in vulnerable areas of a WDS. To achieve this objective, a sampling campaign was conducted to evaluate FRCs. A hydraulic model was then calibrated by adjusting the chlorine wall reaction coefficients to give the best fit between predicted and observed field measurements. A predictive model of FRC in which chlorine decay was simulated with a first-order chlorine residual decay for both bulk and pipe wall reactions. The model enables the simulation of FRCs for different flow distribution scenarios. These scenarios represent the evolution of water consumption from 2011 to 2016. This methodology was tested on three main WDSs in Québec (Canada) with populations ranging from 6 900 to 18 700 people. For these case studies, a decrease of FRC was observed related to the increase in the mean residence time due to the flow reduction. Results show that an increase in initial FRC ranging from 7% to 13% is required to obtain similar FRCs in 2016 compared to 2011. The results also highlight the impacts of flow reduction on FRC’s spatial and temporal variability through a WDS

Cette thèse porte sur l'étude des caractéristiques réactives de la matière organique résiduelle (ROM) présente dans l'eau potable circulant dans un réseau de distribution. Le cas à l'étude est l'eau distribuée dans un réseau d'aqueduc de la Ville de Québec (Canada). La thèse est divisée en quatre volets. Le premier fait une revue de la littérature sur les origines de la matière organique naturelle (NOM), sur l'impact des conditions environnementales d'un écosystème lacustre, sur ses caractéristiques et son devenir tout au long de la filière de production d'eau potable. Elle fait également état des mécanismes et des processus pouvant affecter le devenir de la ROM lors de son séjour dans le réseau de distribution. Le second volet s'intéresse au portrait des caractéristiques réactives de la ROM en fonction de ses fractions constitutives. Il met en perspective l'impact des conditions opérationnelles sur les propriétés de la ROM. Les résultats démontrent que les différentes fractions constituant la ROM ont des caractéristiques réactives qui leur sont propres. Il s'avère que le regroupement de ces fractions engendre un effet de compétition entre elles, lorsque la ROM réagit avec le chlore. Les réactions qui se produisent en l'absence de compétition montrent que la matière organique hydrophile est un précurseur important de sous-produits de la désinfection. Le troisième volet traite de l'impact des saisons sur les caractéristiques réactives des fractions de la ROM dans l'eau de l'extrémité du réseau de distribution, selon les conditions de chloration, et sur les caractéristiques de la NOM ainsi que sur la capacité de la filière de traitement d'abattre celle-ci. Ainsi, on observe que la ROM présente à l'extrémité du réseau d'aqueduc présente un maximum de réactivité à l'automne et au printemps et un minimum de réactivité en été et en hiver. Le dernier volet présente l'évolution de la réactivité de la ROM dans le réseau. Plus spécifiquement, il vérifie l'impact du temps de séjour sur les caractéristiques réactives de la ROM. Les résultats présentés confirment que toutes les fractions de la ROM de la ROM. Les résultats présentés confirment que toutes les fractions de la ROM possèdent encore de bonnes habiletés à produire des sous-produits de la chloration et qu'elles sont peu ou pas affectées par le temps de séjour de l'eau à l'intérieur du réseau de distribution, et ce, comparativement à l'impact que peut avoir la post-chloration. / This thesis presents a study of the reactive characteristics of the remaining organic matter (ROM) found in water distribution systems. The case under study is the main distribution system of Quebec City. The thesis is divided into four chapters. The first one is a literature review on the origin of natural organic matter (NOM), the impact of the lacustrian environmental conditions on NOM characteristics and the fate of NOM within the water treatment process. This review also highlights the mechanisms and the processes that may impact ROM fate into the pipes. The second chapter focuses on the portrait of ROM reactivity on the basis of its constitutive fractions (e.g. hydrophobic, transphilic and hydrophilic). This portrait emphasizes how operational conditions, such as pH and applied chlorine dose, may impact characteristics of ROM and its fractions. The collected data show that ROM fractions have specific reactivity of their own. The gathering of ROM fractions leads to competitive reactions while ROM is reacting with chlorine.. In the absence of these competitive reactions, the results show that ROM hydrophilic fraction is a major disinfection by-product precursor. The third chapter investigates the seasonal portrait, through fractionation and variable chlorination conditions, of the NOM reactivity at the end of the distribution system. It highlights the impact of the seasons on NOM characteristics and on the efficiency of the treatment process. The results show that the ROM within the distribution system exhibits a higher reactivity during Fall and Spring, than during Summer and Winter. Furthermore, each ROM fraction has a specific seasonal reactivity pattern according to the chlorination conditions. The last chapter studies the evolution of ROM characteristics along the water distribution system. More specifically, the fourth chapter evaluates the impact of water residence time on the ROM reactivity. According to the collected data, ROM still has the ability to generate disinfection byproducts, regardless of the location in the distribution system. Furthermore, compared to the impact of post-chlorination on ROM reactivity, this ability does not appear to be affected in a significant way by the water residence time in the distribution system.

Ce mémoire présente une méthodologie pour identifier des stratégies hydrauliques en réseau de distribution dans le but d’assurer des concentrations suffisantes de chlore résiduel en extrémités de réseau. La recherche a été réalisée en deux phases. La première consistait à identifier les zones de distribution de l’eau potable dans le réseau d’aqueduc à l’étude à l’aide d’une étude au traceur. La seconde phase du projet visait à prédire les concentrations de chlore résiduel en réseau de distribution ainsi que d’émettre des recommandations pour améliorer les concentrations de chlore résiduel en extrémités de réseau. Le secteur sélectionné pour l’étude est un quartier résidentiel de la ville de Québec alimenté en eau potable par deux sources : un réservoir situé en réseau et une usine de traitement de l’eau potable (UTE). Le système de distribution du secteur est caractérisé par la présence de nombreuses extrémités de réseau puisqu’il ne possède aucune interconnexion avec les réseaux limites au sud et à l’est. Les consommations étant faibles à ces endroits, les temps de séjour y sont élevés. De plus, le réseau est le dernier secteur à être desservi dans la partie à l’est de l’aire de distribution de l’UTE. Ces conditions mènent à une dégradation de la qualité de l’eau potable dans le système de distribution. La méthode proposée combine une caractérisation hydraulique, une étude au traceur ainsi qu’une étude de la qualité de l’eau pour identifier le patron de distribution de l’eau en réseau. Également, le modèle a été calé au niveau de l’hydraulique et de la qualité de l’eau potable à partir de données inédites sur la distribution de l’eau, les temps de séjour et la variabilité de la qualité de l’eau dans le réseau. Les données nécessaires au calage du modèle ont été obtenues à partir d’une campagne intensive d’échantillonnage. L’étude au traceur a été réalisée par injection d’une saumure de chlorure de calcium (CaCl2). Les résultats obtenus ont permis d’associer au réservoir les points d’échantillonnage dont la concentration en calcium a augmenté au cours de l’essai. Les hypothèses élaborées suite à l’étude au traceur ont été validées à partie des résultats d’une campagne de caractérisation de la qualité de l’eau effectuée simultanément. Cette validation a été rendue possible par les différences entre les valeurs de chlore résiduel aux deux entrées, dues au fait que l’eau provenant du réservoir y a été re-chlorée avant d’être acheminée dans le réseau de distribution. De plus, cette campagne a permis d’identifier la source d’alimentation en eau potable des points dont la concentration en calcium était demeurée constante au cours de l’essai au traceur. Par la suite, le calage du modèle a permis d’en augmenter les capacités prédictives jusqu’à un niveau jugé satisfaisant. Sur la base du modèle de qualité de l’eau, des stratégies hydrauliques ont été évaluées afin d’optimiser les concentrations en chlore résiduel en extrémité de réseau. Cinq groupes d’essais ont été explorés : (1) fermetures de vannes sur des conduites importantes, (2) ajout de pompe re-circulatoire avec injection d’une solution d’hypochlorite, (3) régulation de pression aux entrées du secteur, (4) ouverture d’une interconnexion avec le réseau limitant à l’est, et (5) combinaison des essais 2 et 4. Suite aux différentes simulations, deux stratégies hydrauliques se sont démarquées et des recommandations ont été émises. Celles-ci impliquent l’ajout d’une pompe re-circulatoire et l’injection d’une solution hypochlorite ainsi que l’ouverture d’une interconnexion avec le réseau limitant à l’est. / This Master’s project presents a methodology that can effectively identify distribution zones within a drinking water distribution network in order to ensure sufficient concentrations of residual chlorine at the dead-ends of a distribution system. The project was carried out in two phases. The first phase of the project consisted in identifying water distribution zones within the network with a tracer study. The second phase was designed to predict concentrations of residual chlorine within the distribution network, as well as make recommendations in hydraulic strategies to improve these concentrations in problematic areas of the network. The sector selected for the study is a residential district of Quebec City supplied with drinking water directly from the main supply pipes from the water treatment plant and by re-chlorinated water from a reservoir. The water distribution network is characterized by several dead-ends due to the absence of interconnexions with the bordering networks to the north and east and is also the last sector to be supplied on the eastern side of the plant’s service area. Unfortunately, water consumption is very low in these areas resulting in long standing time in the water pipes. These conditions lead to the degradation of water quality. The proposed methodology engages three strategies: a hydraulic characterization of the distribution network, a tracer study and a water quality characterization study. The hydraulic and water quality models were calibrated with original data characterizing the spatial and temporal water quality variations within the network. An intensive sampling campaign was conducted to obtain the necessary data for the calibration of the models. The tracer study was conducted by injecting CaCl2 brine at the reservoir outlet in order to increase calcium concentrations in water from the reservoir. It was then possible to associate sampling points at which calcium concentrations showed an increase during the test as being supplied by the reservoir. A water quality characterization study was conducted simultaneously with the tracer study, making it possible to validate the distribution zones identified. This validation was made possible by the difference between chlorine values at the two entry points: water from the reservoir has distinctively higher levels due to re-chlorination. In addition, it was possible to identify distribution zones at points where the calcium concentration had remained constant during the tracer test. Thereafter, the hydraulic and water quality models were calibrated satisfactorily providing a tool for evaluating hydraulic strategies to boost chlorine concentrations in problematic areas. Five types of hydraulic strategies were explored: (1) valve closures on major pipelines, (2) the addition of a re-circulating pump with chlorine injection, (3) the regulation of pressure at the main entry points of the sector, (4) the opening of an interconnexion with the east neighbouring network, and (5) a combination of strategies 2 and 4. Following the various simulations, two hydraulic strategies were more efficient than the others: the addition of a re-circulation pump with the injection of a hypochlorite solution and the opening of the interconnexion with the east neighbouring network.

La surveillance de la qualité de l'eau dans les réseaux de distribution est essentielle pour assurer la conformité réglementaire, identifier les problèmes liés à sa dégradation excessive et proposer des approches visant à limiter la présence de contaminants susceptibles d'affecter la santé des citoyens. Cependant, en raison de contraintes budgétaires, technologiques, et de gestion, les responsables de l'eau potable des municipalités ne sont pas en mesure de surveiller l'ensemble du réseau et doivent choisir des points et des moments de surveillance représentatifs pour déterminer la qualité de l'eau. Bien qu'il s'agisse d'un besoin évident et crucial, il n'existe aucune démarche réglementaire appuyée par la science permettant aux responsables de sélectionner des points optimaux de surveillance. La dégradation de la qualité de l'eau varie dans l'espace et dans le temps le long du réseau de distribution en raison de facteurs spécifiques au système, tels que le temps de séjour de l'eau (TDS), le matériau et le diamètre des conduites, les caractéristiques physicochimiques de l'eau, l'utilisation de désinfectants secondaires, etc. Il est donc difficile pour les opérateurs de déterminer où et quand effectuer des contrôles de la qualité de l'eau. L'objectif principal de cette thèse de doctorat est de proposer une nouvelle démarche méthodologique pour optimiser la localisation des points et la fréquence de surveillance dans le réseau de distribution qui tienne compte de la variabilité spatio-temporelle des indicateurs de qualité de l'eau. Cette nouvelle démarche vise à répondre aux besoins méthodologiques identifiés à travers une revue chronologique et critique de la littérature, qui comprend l'identification des concepts fondamentaux, des techniques d'optimisation, ainsi que des avantages et des limites des méthodologies spécifiquement axées sur l'optimisation de la dégradation de la qualité de l'eau dans les réseaux de distribution présentées précédemment par la communauté scientifique. Cette thèse présente une approche innovante basée sur la variabilité spatio-temporelle de la qualité de l'eau, applicable à une échelle réelle par les responsables des municipalités. La méthodologie propose l'identification d'une zone géographique qui peut être représentée par la qualité de l'eau mesurée dans un point de surveillance sélectionné. La démarche fait appel à la connaissance des caractéristiques hydrauliques du réseau (débits et sens d'écoulement) ainsi qu'à celles des conditions associées à une forte variabilité spatiale des indicateurs entre les points qui partagent une connexion hydraulique. Compte tenu de l'utilisation du modèle hydraulique, les nœuds du modèle sont considérés comme des points de surveillance potentiels dans le réseau de distribution, ce qui permet de parler de nœuds de surveillance et nœuds de surveillance optimaux. Ensuite, la population représentée par chaque nœud du réseau est estimée et utilisée dans l'optimisation de la sélection des points de surveillance. Une évaluation est effectuée sur la base du nombre d'individus que chaque nœud peut représenter et le nœud ayant la plus grande capacité de représentation est choisi. Lorsqu'un nœud est choisi, la population représentée par ce nœud est considérée comme surveillée et le meilleur nœud suivant est sélectionné. Cette procédure est répétée jusqu'à ce que l'ensemble de la population cible soit considérée comme surveillée. La démarche proposée est appliquée au réseau de distribution de la Ville de Québec (Québec, Canada) afin d'optimiser la surveillance de quatre indicateurs de la qualité de l'eau: le chlore libre résiduel (CLR), les bactéries hétérotrophes totales aérobies et anaérobies (BHAA), les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA). Deux objectifs d'optimisation sont pris en compte: l'optimisation de la représentativité de la population globale et la surveillance de la population à risque en raison d'une forte dégradation de la qualité de l'eau. Les résultats montrent que la variabilité spatiale de l'indicateur de la qualité de l'eau a une forte influence sur la représentativité des nœuds, ce qui fait que les indicateurs à forte variabilité spatiale, tels que le CLR, nécessitent un grand nombre de points de surveillance pour représenter l'ensemble de la population cible. Malgré cela, la méthodologie permet d'identifier les nœuds ayant une forte capacité de représentativité. Ces nœuds devraient être priorisés parce qu'ils maximisent la population représentée en minimisant les points de surveillance sélectionnés. De même, les résultats montrent que la surveillance de tous les indicateurs dans le même point n'est pas pertinente, car les conditions de variabilité spatiale sont propres à chaque indicateur. Ces conditions déterminent le nombre et la localisation optimaux des points de surveillance pour chaque indicateur individuellement. L'impact du comportement hydraulique et de l'incertitude liée à la modélisation a été analysé en appliquant la démarche proposée pour différents scénarios. Pour ce faire, des scénarios temporels de surveillance intra-journalière, journalière et saisonnière ont été étudiés et comparés. Les résultats obtenus pour l'étude de cas considérée montrent qu'à l'échelle intra-journalière, la localisation des points de surveillance ne varie pas de manière significative étant donné que le comportement hydraulique global du réseau n'est pas affecté. Le même effet peut être observé en comparant un jour de forte demande en eau (débit journalier maximum) à un jour de consommation moyenne (débit journalier moyen). Cependant, l'échelle de temps saisonnière joue un rôle dans la détermination des points de surveillance optimaux. En effet, en raison de la plus faible variabilité spatiale des indicateurs de la qualité de l'eau en hiver, moins de mesures sont nécessaires pour surveiller la même proportion de la population qu'en été. En revanche, la localisation spatiale des nœuds ayant une capacité de représentativité plus élevée ne semble pas changer d'une saison à l'autre, ce qui permet d'identifier des points de surveillance optimaux tout au long de l'année. La démarche proposée est un outil innovant d'aide à la décision pour la sélection optimale des points de surveillance de la qualité de l'eau des réseaux de distribution. Cette méthodologie est originale par la prise en compte de la variabilité spatio-temporelle de la qualité de l'eau, ainsi que par son adaptabilité pour l'optimisation de la surveillance de tout type d'indicateur pour lequel des conditions de forte variabilité spatiale peuvent être définies. / Monitoring water quality in distribution networks is essential to ensure regulatory compliance, identify problems associated with excessive degradation, and propose approaches to limit the presence of contaminants that could jeopardize citizens' health. However, due to budgetary, technological and management constraints, municipal drinking water authorities are unable to monitor the entire network, and must select representative monitoring points and times to determine water quality levels. Although this is an obvious and crucial need, there is no science-based regulatory approach to enable managers to select appropriate monitoring points. Furthermore, water quality degradation varies spatially and temporally along the distribution network, due to system-specific factors such as water residence time (WRT), pipe material and diameter, physicochemical characteristics of the water, use of secondary disinfectants, etc. This makes it all the more difficult for operators to determine where and when to carry out water quality checks. The main objective of this PhD thesis is to propose a new methodological approach for optimizing the location of monitoring points and the frequency of monitoring in the distribution network, taking into account the spatio-temporal variability of water quality indicators. This new approach aims to meet the methodological needs identified through a chronological and critical review of the literature, which includes the identification of fundamental concepts, optimization techniques, as well as the advantages and limitations of methodologies previously presented by the scientific community. This thesis presents an innovative approach based on the spatio-temporal variability of water quality, which can be applied on a real scale by municipal managers. The methodology proposes the identification of a geographical area that can be represented by the measured water quality of a selected monitoring point. The approach calls on knowledge of the network's hydraulic characteristics (flow rates and direction of flow), as well as of the conditions associated with high spatial variability of indicators between points sharing a hydraulic connection. Given the use of the hydraulic model, the nodes in the model are considered as potential monitoring points in the distribution network, hence the term monitoring nodes and optimal monitoring nodes. Next, the population represented by each network node is estimated and used to optimize the selection of monitoring points. An evaluation is made based on the number of individuals each node can represent, and the node with the greatest representation capacity is chosen. Once a node has been chosen, the population represented by that node is considered as monitored, and the next best node is selected. This procedure is repeated until the entire target population is considered monitored. The proposed approach is applied to the distribution network of Quebec City (Quebec, Canada) to optimize the monitoring of four water quality indicators: free chlorine residual (FRC), heterotrophic plate counts (HPC), trithalomethanes (THM) and haloacetic acids (HAA). Two distinct optimization objectives are taken into account: optimizing the global representativeness of the population and monitoring the population at risk due to high water quality degradation. The results show that the specific spatial variability of the water quality indicator has a strong influence on the representativeness of the nodes, meaning that indicators with high spatial variability, such as FRC, require a large number of monitoring points to represent the entire target population. Despite this, the methodology enables us to identify nodes with a high representativeness capacity. These nodes should be prioritized as they maximize the population represented reducing the monitoring points needed. Similarly, the results show that monitoring all indicators as a whole at the same point is not relevant, as the conditions of spatial variability are specific to each indicator; these conditions determine the optimal number and location of monitoring points for each indicator individually. The impact of hydraulic behavior and modeling uncertainty was analyzed by applying the proposed approach to different temporal scenarios. Intraday, daily and seasonal monitoring scenarios were studied and compared. The results obtained for the case study under consideration show that on an intraday scale, the location of monitoring points does not vary significantly, as the overall hydraulic behavior of the network is not affected. The same effect can be observed when comparing a day of high water demand (maximum daily flow) with a day of average consumption (average daily flow). Finally, the seasonal timescale plays an important role in determining optimum monitoring points. Indeed, due to the lower spatial variability of water quality indicators in winter, fewer measurements are required to monitor the same proportion of the population as in summer. On the other hand, the spatial location of nodes with a higher representativeness capacity does not appear to change from one season to the next, enabling optimal monitoring points to be identified throughout the year. Finally, the proposed approach will serve as an innovative decision-making tool for the optimal selection of water quality monitoring points in distribution networks. The methodology is original in that it takes into account the spatio-temporal variability of water quality, and is adaptable to optimize the monitoring of any type of inditor for which conditions of high spatial variability can be defined.

Ce mémoire regroupe en grande partie les informations relatives à un projet de maîtrise de la Chaire de Recherche en eau potable de l'Université Laval. Son objectif principal est de développer un outil de prédiction des concentrations en chlore résiduel libre (CCRL) sur plusieurs quartiers de la Ville de Québec à l'aide d'un modèle hydraulique. Plusieurs campagnes d'échantillonnage ont été réalisées durant l'année 2009 afin de mesurer les CCRL et d'étudier leurs variations spatiale et saisonnière. Un modèle calé sur une étude au traceur a permis de connaître les temps de séjour de l'eau (TDS), l'un des paramètres clefs de la cinétique de dégradation du chlore libre en réseau de distribution. Il a été observé que d'autres paramètres coimne les indicateurs de matière organique naturelle (MON), la température de l'eau ou l'âge des conduites ont une influence sur cette cinétique; un modèle a été élaboré en conséquence. Ce modèle a permis de rendre compte du lien étroit entre les TDS et les CCRL ainsi que des zones à faibles CCRL où la vulnérabilité du consommateur est plus forte.

Outre les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA), d'autres sous-produits de la désinfection, dits émergents (SPDE), sont présents à de plus faibles concentrations dans l'eau potable. Certains d'entre eux présentent un risque potentiel pour la santé humaine supérieur à celui des THM et des AHA. Sept de ces SPDE méritent une attention particulière : quatre haloacétonitriles, un halonitrométhane et deux halocétones. Au cours de cette étude, la variabilité spatio-temporelle des concentrations de ces SPDE a été évaluée dans un réseau de distribution d'eau potable par le biais de campagnes de prélèvements mensuelles effectuées pendant une année à dix endroits répartis le long du principal réseau de la Ville de Québec. Les SPDE visés ont été observés à des concentrations d'au plus 6 ug/L. Les résultats montrent que les concentrations des SPDE étudiés varient de manière significative selon les saisons et selon le temps de séjour de l'eau dans le réseau.

Les systèmes de distribution d'eau (SDE) efficaces sont cruciaux pour les sociétés modernes. Leur fonctionnement nécessite d'importantes quantités d'énergie, avec un impact financier significatif pour les fournisseurs d'eau, généralement les gouvernements. De plus, la conception et la maintenance de ces installations atteignent souvent des millions de dollars. Les méthodes actuelles pour résoudre ces problèmes sont souvent excessivement simplifiées ou ne peuvent résoudre que des réseaux schématiques de petite taille. Cette thèse comprend quatre projets de recherche abordant différentes étapes d'optimisation dans les SDE. Tout d'abord, nous étudions le problème de la planification des pompes pour les SDE, comprenant des pompes fournissant le débit et la pression nécessaires au réseau d'eau pour satisfaire les demandes des consommateurs. En plus de planifier le fonctionnement des pompes sur un horizon temporel donné, plusieurs contraintes liées aux propriétés hydrauliques sont prises en compte, certaines pour la première fois dans la littérature. L'objectif est de fournir un plan de pompage de coût minimum qui satisfait toutes les demandes et respecte de nombreuses contraintes opérationnelles et hydrauliques. Nous proposons une formulation non linéaire et non convexe ainsi qu'une heuristique performante, qui vissent la minimisation des coûts énergétiques. Le comportement hydraulique physique est assuré via un logiciel de simulation hydraulique. Notre méthode a significativement amélioré, jusqu'à 17%, les meilleures solutions pour plusieurs instances de référence, en obtenant des solutions plus rapidement que les méthodes de la littérature. Nos solutions réduisent également la consommation d'énergie pendant les périodes de pointe, lorsque le réseau électrique est le plus sollicité. La deuxième étude touche l'optimisation de la qualité de l'eau dans les systèmes de distribution d'eau. Ici, nous abordons le problème de la planification des pompes contraint par la qualité de l'eau, où en plus de planifier le fonctionnement des pompes et la maintenance du comportement hydraulique, nous devons garantir une qualité d'eau adéquate en gérant l'injection de chlore dans le système sur un horizon temporel d'une journée, avec une injection variable de chlore dans les sources d'eau, les réservoirs et les nœuds d'injection. Cette étude introduit un nouvel ensemble de contraintes pour assurer la continuité de la qualité de l'eau, ce qui permet au plan de fonctionner sur un horizon temporel étendu. Ce travail propose un algorithme génétique de tri non dominé (NSGA-II) pour aborder une adaptation d'un réseau de grande taille issu de la littérature sur le problème de planification des pompes, avec des restrictions ajoutées pour la qualité de l'eau. Cette méthode a significativement amélioré les meilleures solutions de planification des pompes pour le réseau de Florianópolis, au Brésil, jusqu'à 3,74%, tout en assurant une gestion efficace de la qualité de l'eau. La troisième étude porte sur la conception et la maintenance des SDE. En particulier, le problème de conception du réseau de distribution d'eau, qui détermine le meilleur ensemble de conduites pour fournir de l'eau depuis les sources jusqu'aux consommateurs. La formulation générale du problème de conception optimale est très difficile à résoudre : elle nécessite de garder une pression minimale d'eau et de satisfaire les demandes de tous les nœuds tout en respectant des contraintes hydrauliques non linéaires. Cela nécessite des heuristiques complexes ou des simplifications qui réduisent la viabilité des solutions. Nous proposons une heuristique de recherche de voisinage parallèle, axée sur la minimisation des coûts de construction en exploitant deux opérateurs performants et plusieurs critères de réduction de l'espace des solutions. Notre méthode est testée sur plusieurs réseaux de référence, pour lesquelles nous avons obtenu les meilleures solutions de la littérature, tout en réduisant le nombre de simulations hydrauliques requises, offrant un meilleur compromis entre coût et performance. Enfin, notre quatrième recherche aborde la fiabilité lors de la conception de réseaux de distribution d'eau. Cette étude compare deux fonctions de résilience bien connues, qui servent de mesure substitutive de la fiabilité du réseau. Ce problème vise à déterminer le meilleur ensemble de conduites pour fournir la demande en eau avec une pression adéquate tout en minimisant les coûts de construction et en maximisant la fiabilité du réseau. Ensuite, un algorithme génétique multi-objectif est utilisé pour obtenir les fronts de Pareto coût-fiabilité pour chaque fonction. Les résultats des trois réseaux de référence sont ensuite soumis à une analyse comparative à l'aide de quatre tests distincts de fiabilité du réseau, couvrant des scénarios liés à la rupture de conduites, à l'augmentation de la demande, au débit en cas d'incendie et au vieillissement des conduites. En particulier, le test de fiabilité en cas de vieillissement des conduites intègre une fonction de régression conçue pour estimer la dégradation annuelle du coefficient de rugosité de la formule Hazen-Williams pour calculer les pertes de charge. De plus, cette recherche propose également une étude approfondie sur la prise de décision robuste visant à utiliser efficacement les résultats des tests de fiabilité afin de sélectionner une conception fiable pour un réseau de distribution d'eau. Les algorithmes développés dans cette thèse et les solutions que nous obtenons pour ces problèmes difficiles et pertinents sont non seulement importants du point de vue pratique, mais contribuent également à la littérature dans les domaines de l'optimisation et de la distribution d'eau. Les résultats obtenus avec cette thèse ont le potentiel de générer des économies de milliers de dollars pour les municipalités à court terme et de contribuer au développement durable à long terme. / Efficient Water Distribution Systems (WDS) are crucial for modern society. Their operation requires large amounts of energy with significant financial impact for the utility providers, typically governments. Moreover, the design and maintenance of these facilities often reach the scale of millions of dollars. Existing solution methods for these problems are often over-simplified or can only solve very small schematic networks. This thesis comprises four research projects addressing different optimization stages arising in WDS problems. First, we study the pumping scheduling problem for WDS, consisting of pumps providing the flow and pressure for the water network to satisfy consumers' demands. Besides scheduling the operation of pumps over a planning horizon, several constraints regarding hydraulic properties are considered, some for the first time in the literature. The goal is to provide a pumping plan of minimum cost that satisfies all demands and respects many operational and hydraulic constraints. We propose a nonlinear and non-convex formulation and a high-performance heuristic, focusing on minimizing the energy cost. Our method significantly improved the best solutions for several benchmark instances by up to 17%, obtaining solutions faster than the methods from the literature. Our solutions also reduce the energy consumed during peak periods, when the electrical grid is most strained. The second study delves into the water quality optimization of water distribution systems. Here, we address the quality-constrained pump scheduling problem, where besides scheduling the operation of pumps and the maintenance of the hydraulic behavior, we must ensure adequate water quality by managing the injection of chlorine through the system over a one-day planning horizon with variable chlorine injection at reservoirs, tanks, and booster nodes. This study introduces a new set of tank-quality continuity constraints that allow schedules to work over a long rolling horizon. This work proposes a Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II to address a quality-constrained adaptation of a real big-size benchmark network from the pumping scheduling problem literature. This method significantly improved the best pumping scheduling solutions for the Florianópolis network by up to 3.74% while ensuring efficient water quality management. The third study addresses the design and maintenance of WDS. In particular, the water distribution network design problem determines the best set of pipes to supply water from the reservoirs to the consumers. The general formulation of the optimal cost design problem is very difficult to solve: it requires maintaining minimum water pressure and fulfilling the demand of all nodes while satisfying nonlinear hydraulic constraints. This leads to complex heuristics or simplifications that reduce the viability of the solutions. We propose a simple parallel neighborhood search heuristic, which focuses on minimizing the construction cost by exploiting two high-performance operators and multiple solution-space reduction criteria. Our method is tested on several benchmark instances, matching the best solutions from the literature while improving the number of hydraulic simulations required, providing a high-performance trade-off between cost and performance. Finally, our fourth research addresses the reliable water distribution network design problem. This study compares two well-known resilience functions, which work as a surrogate measure of network reliability. This problem seeks to determine the best set of pipes to supply the water demand with adequate pressure that minimizes the construction cost and maximizes the network reliability. Subsequently, a multi-objective genetic algorithm is employed to derive the cost-resilience Pareto-fronts for each function. The results from three benchmark networks are then subjected to a comparative analysis using four distinct network reliability tests, encompassing scenarios related to pipe failure, demand increase, fire flow, and pipe aging. In particular, the pipe aging reliability test incorporates a regression function designed to estimate the annual degradation of the Hazen-Williams roughness coefficient. Moreover, this research also provides a comprehensive study on robust decision-making to effectively utilize the results from the reliability tests in order to select a dependable design for a water distribution network. The algorithms developed in this thesis and the solutions we obtain for these difficult and relevant problems are not only important from a practical standpoint but also contribute to the literature of both optimization and water distribution fields. The results obtained with this thesis have the potential to save several thousands of dollars for municipalities in the short term and to contribute to sustainable development in the long term.