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.

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.

L'intensification, la spécialisation et la concentration des pratiques agricoles causent des problèmes de surplus de fumier qui peuvent dégrader la qualité microbiologique des eaux de surface et souterraines. L'objectif de cette recherche est de développer une méthodologie pour évaluer la vulnérabilité des systèmes d'approvisionnement en eau potable à la contamination microbiologique, en particulier dans les régions d'agriculture intensive. Pour ce faire, des indicateurs ont été développés sur la base de l'approche multi-barrière « de la source au robinet ». Ces indicateurs sont représentés initialement par quatre barrières : la susceptibilité de la source à une contamination microbiologique ; l'efficacité du traitement ; la gestion du système de distribution ; et les pratiques de gestion. La classification, le regroupement et la pondération des indicateurs ont été effectués à l'aide d'une analyse multicritère résultant en une moyenne pondérée qui varie entre 0 et 100, ce qui représente la valeur de l'indicateur de risque microbiologique (VIRM). Plus la valeur est élevée, plus le risque est élevé. Les cas à l'élude sont 39 systèmes d'approvisionnement en eau potable de la région de Chaudière-Appalaches, dans la province du Québec, Canada. La méthodologie et les résultats ont été validés en comparant les VMR1 avec les événements de contamination microbiologique dans les systèmes à l'étude. Également, une analyse de sensibilité et une analyse de faisabilité ont été effectuées afin de vérifier la pertinence des indicateurs dans le modèle. Le modèle développé peut être utilisé pour prioriser les systèmes d'approvisionnement en eau potable qui ont des besoins d'amélioration et pour évaluer l'ensemble de la population à des contaminations microbiologiques dans des études épidémiologiques future. / Increasing agricultural practices cause manure surplus problems potentially resulting in the degradation of the quality of surface and groundwater sources. The objective of this project was to develop a methodology to evaluate the vulnerability of drinking water utilities to microbiological contamination, in particular in regions with intensive agricultural land use. To do so, various indicators were developed to represent the source to tap multi-barrier approach for drinking water quality. These indicators correspond to four barriers: source susceptibility to microbiological contamination; treatment efficiency; distribution System management and overall management of water quality. The indicators were classified, regrouped and weighted within a model based on a multi-criteria analysis resulting in a weighted mean varying between 0 and 100 which represents the value of the microbiological risk indicator (VMRl). The model was developed and applied to 39 drinking water utilities located in the Chaudière-Appalaches region in the Province of Québec, Canada. The methodology and results were validated by comparing VMRl values and past events of microbiological contamination in the utilities under study. Sensitivity and feasibility analysis were also carried out to evaluate the relevance of indicators according to their accuracy and acquisition cost. The model obtained can be used to prioritize utilities requiring improvement and to assess exposure of the population to microbiological contaminants in future epidemiological studies.