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. ...

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.

Cette étude vise à analyser les bénéfices associés à l’amélioration de la qualité de l’eau en appliquant la méthode de « comportements défensifs » aux agriculteurs québécois. Des variables de perception sur la dégradation de la qualité de l’eau et de l’environnement et de caractéristiques individuelles et de ferme ont été incluses dans des modèles économétriques probit et poisson afin d’analyser leur impact sur la probabilité d’adoption de trois PGBs, de deux mesures défensives et sur la fonction de santé ainsi que pour identifier l’existence de lien entre PGBs et mesures défensives. Les résultats démontrent la significativité de certaines de ces variables dans les modèles de PGBs et de mesures défensives et l’existence de corrélation entre les trois PGBs. Toutefois, les mesures défensives n’ont pas d’effet sur l’adoption des PGBs de l’étude. Finalement l’adoption de PGBs réduit le nombre de jours de symptômes de maladie. / This study aims to analyze the benefits associated with improved water quality by applying the method of "defensive behavior" to Quebec farmers. Perception variables about the degradation of water quality and the environment and characteristics about individuals and farms were included in probit and poisson models to analyze their impact on the probability of adoption of three BMPs, two defensive measures and a health function and to explore the causality between defensive measures and the adoption of BMPs. Many of the aforementioned variables have significant impacts on the adoption of BMPs and defensive measures. We also found that the adoption processes of the three BMPs were correlated. However, we found no link between the adoption of defensive measures and the adoption of BMPs. Finally, the adoption of BMPs reduces the number of days with illness symptoms.

Le modèle de gestion de la qualité de l'eau SWAT pourra assister les acteurs de l'eau dans la mise en application de politiques de gestion de l'eau à l'échelle du bassin versant au Canada. Cependant, il y a peu d'applications du modèle SWAT sous des conditions climatiques caractéristiques du sud-est du Canada. Un protocole de mise en place du modèle SWAT est proposé. La performance des fonctions hydrologiques du modèle a fait l'objet d'une évaluation en distinguant les saisons hydrologiques hiver et été. Les sources d'incertitude dans les données de calibration pour la saison hivernale et dans la structure du modèle de fonte de SWAT ont fait l'objet d'une analyse détaillée. La capacité des fonctions hydrologiques de SWAT à converger vers un jeu unique de paramètres et à assurer que les voies d'entraînement des indicateurs de la qualité des eaux sont adéquatement modélisées est discutée. / The river basin model SWAT could assist stakeholders in the setting up of integrated watershed management policies in Canada. However, there is a lack of SWAT's applications under climatic conditions characteristic of Southeastern Canada. An implementation protocol of the SWAT model is proposed. The performance of the hydrologic component has been evaluated in distinguishing the hydrologic seasons winter and summer. The sources of uncertainty in the calibration data of the winter season, and in the structure of the SWAT snowmelt algorithm have been the object of a detailed analysis. The capabilities of the SWAT hydrologic component to converge towards a unique parameter set and to guarantee that the flow paths of water quality indicators are correctly modeled is addressed.

Titre de l'écran-titre (visionné le 19 juin 2023) / Un peu plus de 30 communautés autochtones sont présentement affectées par un avis d'ébullition ou de non-consommation qui durerait depuis plus d'un an. Non seulement la contamination des sources d'approvisionnement en eau des réserves indiennes présente-t-elle des risques importants pour la santé publique des citoyens de ces communautés, mais il semblerait que la mise en application de lois provinciales sur la qualité de l'eau potable, par l'entremise des organismes de bassins versants ou de protection des sources d'eau provinciales (GIRE ou SWP), demeurerait sans effet pour la majorité des communautés autochtones. En effet, ces communautés relèvent de la compétence fédérale en vertu de la Loi sur les Indiens, qui stipule que les réserves sont gérées exclusivement par les instances fédérales. Afin de mieux caractériser la mosaïque et l'étendue des problèmes d'approvisionnement en eau potable pour les Premières Nations quatre communautés par province ont été sélectionnées au Québec (Kahnawà:ke, Kitigan Zibi, Kitcisakik et Eastmain) et en Ontario (Six Nations, M'chigeen, Whitefish River et Pays Plat). À partir de méthodes mixtes d'observation, d'entrevue et de revue documentaire, les résultats de l'étude démontrent que, malgré le fait que les Services aux Autochtones Canada aient réussi à faire diminuer le nombre d'avis d'ébullition d'eau de longue durée depuis 2014, l'indice moyen de vulnérabilité des sources d'approvisionnement et de distribution en eau potable est demeuré relativement stable lors de ses dernières années. De plus, la plupart des communautés à l'étude percevraient le plan de protection des sources d'eau, imposé par le gouvernement fédéral, comme étant une abrogation de leurs droits ancestraux ou de leurs droits inhérents à l'autodétermination en vertu des traités. Ces communautés perçoivent aussi la LSUDPN comme un agenda imposé dont les principes ne correspondent pas à ce qu'elles valorisent dans leurs pratiques. Le plan de protection des sources d'eau aurait, selon elles, un double effet d'affaiblir les capacités régulatrices des sociétés autochtones et d'encourager la dépendance de ces dernières envers le gouvernement canadien. Enfin, cette étude des formes de gouvernance des ressources hydriques en milieux autochtones peut servir à conceptualiser une gestion plus inclusive des ressources en eau, tout en favorisant une participation des acteurs et des parties prenantes à la gestion de celles-ci dans un contexte d'institutionnalisation des pouvoirs locaux en contexte autochtone. / Over 30 Indigenous communities are currently affected by a boil water advisory in Canada that has lasted for more than a decade. Not only does contamination of water supplies on Indian reserves pose significant risks to the public health of their citizens, it would appear that the implementation of drinking water quality laws through provincial watershed or source water protection (SWP) agencies would still have no impact on the majority of these communities : this is due to the fact that they fall under federal jurisdiction under the Indian Act, which stipulates that reserves are managed exclusively by federal authorities. To better characterize the mosaic and extent of drinking water problems for First Nations, four communities per province were selected in Quebec (Kahnawà:ke, Kitigan Zibi, Kitcisakik, Eastmain) and Ontario (Six Nations, M'chigeen, Whitefish River and Pays Plat). Using mixed methods of observation, interviews and literature review, the results of the study show that, even though Indigenous Services Canada has been successful in reducing the number of long-term boil water advisories since 2014, the average vulnerability index for sources of drinking water supply and distribution has remained relatively stable over the past years. In addition, most of the communities under consideration would view the federally mandated source water protection plan as an abrogation of their inherent right to self-determination (aboriginal title), or treaty rights. These communities also perceive SWP plans as an imposed agenda whose principles do not represent what they value in their practices. From their point of view, SWP plans would have a dual effect of weakening the regulatory capacity of Indigenous societies and encouraging their dependence on the Canadian government. Finally, this study of water resources governance forms in Indigenous communities can serve to conceptualize a more inclusive water resource management, while promoting the participation of actors and stakeholders in a process of institutionalisation of local government in an indigenous context.

La gestion intégrée des ressources en eau par bassin versant requiert de bonnes connaissances du territoire à l'étude afin d'inclure le suivi de la qualité de l'eau de la « source au robinet » dans la planification territoriale. Un accès efficace à tout type de données relatives à la qualité de l'eau, incluant l'occupation du sol et les risques (impacts anthropiques, environnementaux, etc.), permettrait aux intervenants de divers milieux de prendre en considération le portrait complet des informations disponibles pour une prise de décision éclairée. Inventorier, assembler, analyser et interpréter les données peut représenter un défi supplémentaire lorsque les informations à colliger proviennent de sources différentes, tout particulièrement pour les organismes de bassins versants (OBV) et les petites municipalités qui n'ont pas toujours les moyens d'avoir des spécialistes en gestion de bases de données et en systèmes d'information géographique (SIG). Ce projet de maîtrise porte sur le développement d'un cadre méthodologique concernant l'acquisition, la gestion et l'utilisation des données relatives à la qualité de l'eau dans les bassins versants où existent des prises d'eau potable. Après une étude approfondie des exigences gouvernementales concernant la protection des sources, il sera question d'optimiser la gestion des données en concordance avec le Règlement sur le prélèvement des eaux et leur protection (RPEP) du Québec. Dans un contexte où de nombreuses municipalités du Québec doivent répondre aux exigences du RPEP d'ici 2021, un logiciel spécialisé en gestion des données sur la qualité de l'eau a été adapté afin d'aider les gestionnaires de la ressource en eau qui ont le mandat de répondre au RPEP. Ce projet permettra d'optimiser le processus d'acquisition et de traitement de l'information requise (eau et territoire) pour l'évaluation de la vulnérabilité des prises d'eau potable. L'évaluation de la vulnérabilité des prises d'eau potable est une démarche fondamentale de la protection des sources d'eau et de l'harmonisation de cette dernière avec l'occupation du territoire. La méthodologie développée pour une étude de cas dans les Laurentides montréalaises est applicable à d'autres bassins versants du Québec et d'ailleurs.

Depuis quelques décennies, les lacs de villégiature au Québec sont exposés à une problématique de transport de sédiments. De nombreuses sources de sédiments peuvent participer à ces apports vers les plans d’eau. Dans le cadre de ce projet de recherche, en collaboration avec la municipalité d’Adstock, les objectifs sont d’identifier la source principale de sédiments qui envase le lac à la Truite et d’élaborer une méthodologie d’implantation de solutions de gestion des eaux pluviales spécifiques au bassin versant à l’étude, permettant de restreindre ce transport de sédiments. Cette implantation doit considérer les contraintes socio-économiques et légales auxquelles la municipalité est confrontée. La source principale de sédiments provient du revêtement de la chaussée du chemin J.-E. Fortin (chemin non pavé, ceinturant la majorité du périmètre du lac). Les résultats démontrent, en effet, des concentrations pondérées par les niveaux d’eau presque deux fois plus élevées pour les sous-bassins versants (SBV) de faible pente et de faible superficie (SBV 7 et 17), attribuables à un impact plus important du lessivage du revêtement sur le ruissellement par rapport à celui provenant du cours d’eau forestier que pour les SBV ayant une superficie et une pente supérieures (SBV 15 et 24). Ces derniers SBV diluent davantage les apports en sédiments de la chaussée malgré un taux d’érosion du couvert forestier plus élevé, confirmant l’impact considérable du chemin sur ces concentrations pondérées. Un autre indice permet d’attester l’influence du ruissellement du revêtement sur la qualité de l’eau des affluents au lac, soit la comparaison entre les concentrations en matières en suspension (MES) (récoltées lors de l’événement du 8-9 août 2018) d’un point d’échantillonnage situé en amont de la chaussée et d’un autre situé en aval du chemin, considérant à la fois le ruissellement du chemin et celui du cours d’eau en forêt. Les résultats démontrent une augmentation de 48 % des concentrations pour le SBV 15 et de 117 % pour le SBV 17 entre les deux points d’échantillonnage. Les observations sur le terrain pendant les événements pluvieux témoignent également d’une forte turbidité provenant du drainage du chemin. Les solutions proposées ciblent le drainage du chemin J.-E. Fortin et la protection des pentes sensibles à l’érosion. Des solutions de gestion des eaux pluviales pourraient également être appliquées à l’ensemble du bassin versant, permettant de diminuer les débits de pointe des SBV critiques pouvant accentuer l’érosion des cours d’eau forestiers, de l’infrastructure routière et des affluents au lac.

Cette thèse est consacrée à la détermination des facteurs responsables de la variabilité spatio-temporelle de la qualité de l’eau potable dans les petits réseaux de distribution et au développement d’outils de gestion destinés aux opérateurs. Afin de réaliser cette thèse, des études de cas ont été conduites dans 25 petites municipalités (population inférieure à 5 000 habitants) de deux provinces Canadiennes (Québec et Terre-Neuve et Labrador). Le premier chapitre présente un portrait spatio-temporel de la qualité de l’eau brute et de l’eau potable dans les réseaux à l’étude. Des facteurs expliquant la variabilité de la qualité de l’eau y sont identifiés. Dans le deuxième chapitre, un indice de la qualité de l’eau potable est développé. Quatre scénarios de surveillance sont proposés selon les besoins spécifiques des petits réseaux afin de représenter la qualité globale de l’eau potable d’une façon adéquate. Le troisième chapitre s’intéresse à la détermination des paramètres de l’eau brute et des facteurs climatiques facilement mesurables qui ont un impact majeur sur la variabilité temporelle de la qualité de l’eau potable dans les petits réseaux à l’étude. Un modèle de régression logistique permet de développer un outil pour estimer la probabilité de la détérioration de la qualité de l’eau, en se basant sur les facteurs identifiés. Le dernier chapitre intègre les facteurs humains opératoires dans la gestion de l’eau potable. Tout d’abord, une catégorisation permet la détermination des facteurs humains opératoires ayant le plus d’impact sur la qualité de l’eau potable des petits réseaux. Une analyse multi-niveaux est également effectuée afin de d’évaluer la contribution relative des facteurs humains opératoires par rapport à la qualité de l’eau brute et au traitement. Finalement, l’impact de la variabilité temporelle des facteurs humains opératoires sur la qualité de l’eau est étudié. Mots-clés : Qualité de l’eau, eau potable, petits réseaux, variabilité spatio-temporelle, indice de la qualité de l’eau, facteurs climatiques, facteurs humains opératoires, outils de gestion. / This thesis focuses on the determination of factors that impact the spatio-temporal variability of drinking water quality in small systems and on the development of management tools intended to operators. Data was provided by sampling campaigns conducted in 25 small systems in two Canadian provinces (Quebec and Newfoundland and Labrador). The first chapter draws a spatio-temporal portrait of raw and drinking water quality in the systems under study. Some factors affecting the quality of drinking water are identified. In the second chapter, a drinking water quality index is developed. Four customized monitoring scenarios are proposed according to the specific needs of small systems, which allow the appropriate representation of global drinking water quality. The third chapter identifies raw water quality parameters and climate factors that have an important impact on the temporal variability of drinking water quality. Based on these factors, a logistic regression model allows the development of a tool that estimates the probability of the deterioration of drinking water quality. The last chapter considers human operational factors as impact factors in drinking water quality management. A categorization leads to the determination of the most important human operational factors contributing to drinking water quality. A multi-level model is applied to evaluate the relative contribution of human operational factors in comparison to the impact of raw water quality and treatment. Finally, the impact of the temporal variability of human operational factors on drinking water quality is investigated. Keywords: Water quality, drinking water, small systems, spatio-temporal variability, water quality index, climate factors, human operational factors, management tools.