Des stations de mesure de la qualité de l’eau sont utilisées pour mesurer la qualité de l'eau à haute fréquence. Pour une gestion efficace de ces mesures, la qualité des données doit être vérifiée. Dans une méthode univariée précédemment développée, des points aberrants et des fautes étaient détectés dans les données mesurées par ces stations en employant des modèles à lissage exponentiel pour prédire les données au moment suivant avec l’intervalle de confiance. Dans la présente étude, ne considérant que le cas univarié, la détection de points aberrants est améliorée par l’identification d’un modèle autorégressif à moyenne mobile sur une fenêtre mobile de données pour prédire la donnée au moment suivant. Les données de turbidité mesurées à l'entrée d'une station d'épuration municipale au Danemark sont utilisées comme étude de cas pour comparer la performance de l’utilisation des deux modèles. Les résultats montrent que le nouveau modèle permet de prédire la donnée au moment suivant avec plus de précision. De plus, l’inclusion du nouveau modèle dans la méthode univariée présente une performance satisfaisante pour la détection de points aberrants et des fautes dans les données de l'étude de cas. / Water quality monitoring stations are used to measure water quality at high frequency. For effective data management, the quality of the data must be evaluated. In a previously developed univariate method both outliers and faults were detected in the data measured by these stations by using exponential smoothing models that give one-step ahead forecasts and their confidence intervals. In the present study, the outlier detection step of the univariate method is improved by identifying an auto-regressive moving average model for a moving window of data and forecasting one-step ahead. The turbidity data measured at the inlet of a municipal treatment plant in Denmark is used as case study to compare the performance of the use of the two models. The results show that the forecasts made by the new model are more accurate. Also, inclusion of the new forecasting model in the univariate method shows satisfactory performance for detecting outliers and faults in the case study data.

Cette thèse de doctorat comporte trois volets d'études interreliés portant sur l'évaluation microbiologique de l'eau potable. Dans le premier volet, des analyses comparatives des méthodes classiques ont montré que les tests de détection uniquement basés sur la reconnaissance d'un seul paramètre phénotypique ne permettaient pas de détecter la totalité de la population microbienne recherchée. Une identification des microorganismes cibles par le biais de séquences spécifiques d'ADN a permis de pallier à ce problème. Toutefois, l'application de tests moléculaires rapides pour évaluer la qualité microbiologique de l'eau potable n'en est qu'à ses premiers balbutiements particulièrement parce qu'il n'existe pas de solution technologique simple permettant de concentrer et de récupérer efficacement la petite quantité de microorganismes présente dans un volume relativement grand d'eau potable. Ainsi, dans le second volet de cet ouvrage, une procédure de récupération et de concentration des microorganismes comprenant une dissolution de membrane, suivie d'un confinement gravitationnel sur support solide, a été inventée. Combinée à une procédure d'extraction et d'amplification aléatoire du génome entier, ainsi qu'à une amplification PCR spécifique, cette méthode a permis la détection sensible & Escherichia coli, d'entérocoques, d'oocystes de Cryptosporidium, de kystes de Giardia, ainsi que de spores de Clostridium perfringens dans l'eau potable en 5 heures. Dans le troisième volet, nous avons testé la procédure complète de détection moléculaire avec des échantillons d'eau naturelle. Les études préliminaires ont montré que la procédure développée était équivalente aux méthodes basées sur la culture en termes de spécificité, de sensibilité et de limite de détection. À la lumière des résultats obtenus, cette nouvelle méthode de récupération, de concentration et de détection moléculaire pourrait être utilisée pour évaluer la qualité microbiologique de l'eau potable. Nous recommandons donc une étude de comparaison plus poussée auprès des laboratoires d'analyses environnementales et des autorités gouvernementales, pour la validation de cette nouvelle méthode moléculaire.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Cette thèse s’intéresse au développement d’un système intelligent d’aide à la décision (SIAD) destiné à la conception, à la gestion et à l’optimisation des programmes de suivi de la qualité de l’eau (PSQE). Toute son originalité repose sur le fait qu’elle aborde la question dans une perspective holistique qui se traduit par le développement d’une approche participative dans le but de déterminer les besoins en connaissances sur la qualité et la quantité de l’eau sur lesquels se base le SIAD pour assister les gestionnaires de PSQE à toutes les étapes de la planification, de la gestion et de l’optimisation d’un PSQE. ... / This thesis focuses on the development of an intelligent decision-support system (IDSS) to plan, manage and optimize water quality monitoring programs (WQMPs). The main originality of this thesis is to have approached thequestion of planning, managing and optimizing WQMPs in a holistic manner. The holistic approach transcends into the developing of a participative approach to identify knowledge needs on water quality and quantity to feed an IDSS which assists WQMP managers in every aspect of planning, managing and optimizing WQMPs. ...

Lors d’un suivi en temps réel de la qualité de l’eau d’une rivière, une quantité innombrable de données peut être récoltée permettant ainsi une bonne description des dynamiques changeant rapidement. Cependant, des questions s’imposent. Quelle est la qualité des données mesurées en temps réel? Quels sont les effets de données de mauvaise qualité sur les objectifs associés à leur utilisation? Ce mémoire tente de résoudre cette problématique en présentant des outils automatiques d’évaluation de la qualité des données. Ces outils sont généraux et simples, en ce sens qu’ils s’appliquent à différents emplacements (rivière, STEP, égout, etc.) et qu’ils sont basés sur des méthodes univariées faciles à implanter. Suite à l’application de ces outils, la qualité des données est connue et accrue favorisant ainsi l’atteinte des objectifs reliés à un suivi en temps réel. Leur application est démontrée sur des données mesurées lors d’un suivi en temps réel de la qualité de l’eau d’un ruisseau urbain effectué à l’aide de la station monEAU. / During real-time water quality monitoring in river systems, a huge amount of data is produced which allows a better description of the rapidly changing dynamics compared to spot sampling methods. However, what is the quality of the measured data and what are the impacts of poor data quality on the objectives pursued during real-time water quality monitoring? Therefore, this master thesis proposes automatic data quality assessment tools to tackle this issue. These tools are general and simple, which means that they can be applied to any type of water and that they are based on easy-to-implement univariate methods. Following the application of these tools, data quality will be improved and known as such and will allow to better achieve the objectives of a real-time water quality monitoring project. The application of these tools is demonstrated on data collected during real-time water quality monitoring of an urban river performed using a monEAU station.

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.

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.

Les stations de mesure automatiques sont utilisées pour suivre et contrôler des usines de traitement des eaux usées. Ce suivi en continu à haute fréquence est devenu indispensable afin de réduire les impacts négatifs sur l’environnement car les caractéristiques de l’eau varient rapidement dans l’espace et dans le temps. Toutefois, même s’il y a eu des progrès considérables, ces dernières années, de la technologie de mesure, les instruments sont encore chers. Aussi des problèmes de colmatage, d’encrassement ou de mauvaise calibration sont assez fréquents à cause du contact avec les eaux usées. La fiabilité des mesures en ligne et en continu est affectée négativement. Par conséquent, un bon entretien des instruments est essentiel, ainsi que la validation des données collectées, afin de détecter d’éventuelles valeurs aberrantes. Dans le contexte de ce mémoire, en collaboration avec Bionest®, une méthodologie est proposée pour attaquer ces problèmes. Deux cas d’études en étangs aérés au Québec ont été considérés, avec l’objectif d’optimiser les activités d’entretien, de réduire les données non fiables et d’obtenir des grandes séries de données représentatives. / Automated monitoring stations have been used to monitor and control wastewater treatment plants. Their capability to monitor at high frequency has become essential to reduce the negative impacts to the environment since the wastewater characteristics have an elevated spatial and time variability. Over the last few years, the technology used to build these automatic monitoring stations, for example the sensors, has been improved. However, the instrumentation is still expensive. Also, in wastewater uses, basic problems like fouling, bad calibration or clogging are frequently affecting the reliability of the continuous on-line measurements. Thus, a good maintenance of the instruments, as well as a validation of the collected data to detect faults is required. In the context of this thesis, in collaboration with Bionest®, a methodology has been developed to deal with these problems for two facultative/aerated lagoon case studies in Québec, with the objective of optimizing the maintenance activities, of reducing the fraction of unreliable data and of obtaining large representative data series.

L'eau est un vecteur important pour la transmission de maladies infectieuses. Les méthodes classiques utilisées pour évaluer la qualité microbiologique de l'eau sont cependant inaptes à garantir l'absence de tous les microorganismes pathogènes. Le développement de nouvelles méthodes moléculaires permettant la détection rapide, sensible, spécifique et abordable de ces microorganismes pourrait diminuer le nombre de cas d'infections reliées à la consommation d'eau potable. Ce mémoire décrit la démarche empruntée pour adapter, utiliser et comparer des méthodes microbiologiques classiques à bord du laboratoire mobile Atlantis (LMA) lors d'une campagne de surveillance de la qualité l'eau en région éloignée. Nous élaborons ensuite sur le processus permettant le transfert technologique de deux méthodes moléculaires ciblant deux indicateurs de contamination fécale, Escherichia coli et les entérocoques. Les résultats de ces recherches permettent de conclure que le LMA pourra jouer un rôle prometteur pour la surveillance des maladies infectieuses d'origine hydrique.

Thèse en cotutelle, doctorat en droit : Université Laval, Québec, Canada, docteur en droit (LL.D.) et Université Toulouse 1 Capitole, Toulouse, France, docteur. / Comment vivre ensemble dans la diversité ? Le Canada et l’Europe sont deux ordres juridiques présentant ce même type de problématique : la gestion de la diversité juridique. La réponse se présente en un système de droit où il apparaît nécessaire de conjuguer l’un et le multiple. Dans le cas européen, il s'agit d'une conjugaison entre les ordres de gouvernement supranational et national, tandis qu'au Canada, il s'agit des ordres fédéral et provincial. Un élément de cette réponse apparaît dans l’organisation des rapports entre ces ordres juridiques. Plus précisément, un éclairage particulier ressort de l'évolution du partage des compétences, par l'intermédiaire de l'articulation des normes issues de ces différents niveaux. Le domaine de la protection de la qualité des eaux douces au Canada et dans l’Union européenne a été choisi pour révéler les enjeux de ces relations dans une perspective globale. L’objectif est de dépasser l’analyse du droit tel qu’il devrait être, pour le faire ressortir tel qu’il est. Plus précisément, il s’agit de faire ressortir comment s’articulent réellement les différents ordres de gouvernement au sein du Canada et de l’Union européenne. Seule une combinaison des normes du partage des compétences permet une telle entreprise. La démarche comparative est centrale puisqu’elle permet de mettre en perspective ces dispositifs entre deux ordres juridiques n’étant pas au même stade de leur construction. L'exemple de la protection de la qualité des eaux douces nous apprend qu'il existe des ressemblances fonctionnelles au Canada et en Europe au sujet de l'équilibre de la répartition des compétences. Cet équilibre semble entamé dans les deux régions, ce qui serait dû à une centralisation extensive des compétences et une uniformisation du droit, phénomènes progressifs engendrés par l'importance du principe d'efficacité dans ce domaine. / How living together in diversity ? Canada and European Union are two legal systems presenting this type of question : the legal diversity management. The answer to this question is composed of the alignment of the one and the multiple. In Europe, it is achieved in the allocation of powers between european and national legal orders ; in Canada, between federal and provincial legal orders. Fresh waters quality protection in Canada and EU has been chosen in order to reveal the allocation of powers issues from a global perspective. The aim of this research is to go beyond an analysis on how are legal systems supposed to work, to emphasize their real way of functioning. The combination of the allocation of powers rules allows this approach in water quality protection. This concrete example reveals that there are similarities between canadian and european allocation of powers. The balance of these distributions of powers has been eroded, because of powers centralization caused by an effectiveness principle in this field.

Cette thèse porte sur l'étude des goûts, odeurs et la perception relative à l'eau potable. Le cas à l'étude est l'eau distribuée dans un réseau d'aqueduc de la Ville de Québec. La thèse est divisée en quatre volets. Le premier volet fait la revue de la problématique des composés responsables des goûts et odeurs en réseau de distribution. Plus spécifiquement, les aspects concernant l'origine de ces composés et leurs analyses physico-chimiques et sensorielles sont abordés. Le second chapitre traite de la perception des consommateurs par rapport à l'eau distribuée. Cette étude a été réalisée au moyen de l'information spatialisée d'une enquête postale et des suivis de la qualité physico-chimique et microbiologique de l'eau réalisés entre 2003 et 2005 par la Ville de Québec. Les résultats de ces suivis ont été agrégés dans un indice de qualité d'eau. Les résultats indiquent qu'environ le tiers de la population ne consomme pas l'eau du robinet du réseau à l'étude. L'analyse par régression logistique des résultats de l'enquête montre que l'emplacement de la résidence dans le réseau, l'indice de qualité de l'eau distribuée et les risques perçus par le consommateur sont les principaux facteurs qui 'expliquent le profil de consommation de l'eau du robinet et le choix de consommer ou non l'eau distribuée. Le troisième volet porte sur la détermination des zones sensibles aux goûts et odeurs dans le réseau de distribution. Ces zones ont été établies au moyen d'une analyse multicritère combinant l'information spatialisée des plaintes des consommateurs relatives à l'eau du robinet entre 2002 et 2004, et de la perception de la population concernant l'eau distribuée. Les résultats de cette analyse ont permis de déterminer six secteurs sensibles aux goûts et odeurs dans l'eau potable répartis en 15 zones distinctes. Le dernier volet s'intéresse à l'évolution spatio-temporelle des goûts et odeurs dans le réseau d'aqueduc. Les résultats montrent que les goûts et odeurs en réseau sont liés à certains précurseurs comme les algues, le chlore et le fer. De plus, la variation saisonnière de l'intensité de la flaveur de l'eau est principalement attribuable à la présence des algues diatomées, des algues vertes et des algues bleu-vert (cyanobactéries), leurs sous-produits (géosmine et 2-méthylisoboméol) et au chlore total résiduel. L'intensité de la flaveur de l'eau varie aussi selon l'emplacement dans le réseau. L ' analyse des données en régression linéaire multiple montre que les goûts et odeurs dans l' eau distribuée sont fortement tributaires des variations saisonnières et spatiales. Ils sont aussi directement liés à la présence de cyanobactéries dans l' eau distribuée et inversement liés à la teneur en chlore dans le réseau. Ce qui démontre l'effet masquant du chlore sur les autres flaveurs dans l' eau potable.