Les situations d’urgence dans les pays en voie de développement amènent les populations locales à vivre sans accès à de l’eau propre à la consommation. Afin de répondre à de telles situations, un projet de développement d’un décanteur lamellaire transportable a débuté avec, comme objectif, d’obtenir un système permettant d’abaisser la turbidité d’une grande variété d’eaux brutes, pouvant être rencontrées sur le terrain, à un niveau de 5 UTN ou moins. À la suite des deux premières phases du projet (2011 et 2013), un travail de maîtrise ayant pour objectif d’améliorer la performance du système a été effectué et fait l’objet du présent mémoire. Ce travail inclut des essais en laboratoires à l'université Laval (Canada) ainsi que la construction de la version finale du système à Pune (Inde). Globalement, l’ajout d’un déversoir longitudinal et d’une plaque de déflection trouée au-dessus des lamelles du décanteur a permis d’améliorer la répartition du débit à travers ces lamelles. Également, un floculateur hydraulique à chicanes en configuration « autour de l’extrémité » a été construit et a permis d’atteindre l’objectif de traitement (5 UTN). / Emergencies in developing countries bring local population to live with a lack of safe drinking water. In order to answer these crisis, a transportable plate settler project was started and aimed at developing a system which would be able to reduce the turbidity of a great variety of raw water which can be found on the field during an emergency to 5 NTU or less. After the first two phases of the project (2011 and 2013), a master degree project was started with the aim of further improve the performance of the system and is the object of the present dissertation. This work includes laboratory tests at Laval University (Canada) and the construction of the final version of the system in Pune (India). In general, a lengthwise launder and a ported baffle were added above the settling plates allowed a better distribution of the flow though those plates. Also, a baffle hydraulic floculator in an "around-the-end" configuration was built and has allowed to achieve the performance objective (5 NTU).

La réaction alcalis-silice (RAS), une réaction chimique entre certaines phases minérales siliceuses des granulats et les hydroxydes alcalins de la solution interstitielle du béton, fait partie des processus affectant la durabilité des infrastructures en béton. Au cours des dernières années, plusieurs méthodes ont été développées afin d’évaluer l’état actuel et le potentiel de détérioration future de bétons atteints de RAS. Parmi celles-ci, les méthodes pétrographiques du Damage Rating Index (DRI) et de l’Analyse d’Image (AI) sur plaques polies imprégnées à la résine époxyde fluorescente possèdent le potentiel de devenir des outils diagnostiques du degré d’endommagement du béton affecté par la RAS, paramètre critique lors de la sélection des méthodes de réfection des structures affectées. Ce projet consiste à développer une approche d’analyse pétrographique semi-quantitative de l’état d’endommagement de bétons affectés par la RAS par une combinaison de l’AI et du DRI. Pour ce faire, le niveau d’endommagement microstructural de bétons incorporant différents types de granulats réactifs a été évalué par ces deux méthodes et les résultats analysés de façon critique.

La considération adéquate des différentes sources d’incertitude est un aspect crucial de la prévision hydrométéorologique. La prévision d’ensemble, en fournissant des informations sur la probabilité d’occurrence des sorties du modèle, représente une alternative séduisante à la prévision déterministe traditionnelle. De plus, elle permet de faire face aux différentes sources d’incertitude qui se trouvent le long de la chaîne de modélisation hydrométéorologique en générant des ensembles là où ces incertitudes se situent. Le principal objectif de cette thèse est d’identifier un système qui soit capable d’appréhender les trois sources principales d’incertitude que sont la structure du modèle hydrologique, ses conditions initiales et le forçage météorologique, dans le but de fournir une prévision qui soit à la fois précise, fiable et économiquement attractive. L’accent est mis sur la cohérence avec laquelle les différentes incertitudes doivent être quantifiées et réduites. Notamment, celles-ci doivent être considérées explicitement avec une approche cohésive qui fasse en sorte que chacune d’entre elles soit traitée adéquatement, intégralement et sans redondance dans l’action des divers outils qui composent le système. Afin de répondre à cette attente, plusieurs sous-objectifs sont définis. Le premier se penche sur l’approche multimodèle pour évaluer ses bénéfices dans un contexte opérationnel. Dans un second temps, dans le but d’identifier une implémentation optimale du filtre d’ensemble de Kalman, différents aspects du filtre qui conditionnent ses performances sont étudiés en détail. L’étape suivante rassemble les connaissances acquises lors des deux premiers objectifs en réunissant leurs atouts et en y incluant la prévision météorologique d’ensemble pour construire un système qui puisse fournir des prévisions à la fois précises et fiables. Il est attendu que ce système soit en mesure de prendre en compte les différentes sources d’incertitude de façon cohérente tout en fournissant un cadre de travail pour étudier la contribution des différents outils hydrométéorologiques et leurs interactions. Enfin, le dernier volet porte sur l’identification des relations entre les différents systèmes de prévisions précédemment créés, leur valeur économique et leur qualité de la prévision. La combinaison du filtre d’ensemble de Kalman, de l’approche multimodèle et de la prévision météorologique d’ensemble se révèle être plus performante qu’aucun des outils utilisés séparément, à la fois en précision et fiabilité et ceci en raison d’unemeilleure prise en compte de l’incertitude que permet leur action complémentaire. L’ensemble multimodèle, composé par 20 modèles hydrologiques sélectionnés pour leurs différences structurelles, est capable de minimiser l’incertitude liée à la structure et à la conceptualisation, grâce au rôle spécifique que jouent les modèles au sein de l’ensemble. Cette approche, même si utilisée seule, peut conduire à des résultats supérieurs à ceux d’un modèle semi-distribué utilisé de façon opérationnelle. L’identification de la configuration optimale du filtre d’ensemble de Kalman afin de réduire l’incertitude sur les conditions initiales est complexe, notamment en raison de l’identification parfois contre-intuitive des hyper-paramètres et des variables d’état qui doivent être mises à jour, mais également des performances qui varient grandement en fonction du modèle hydrologique. Cependant, le filtre reste un outil de première importance car il participe efficacement à la réduction de l’incertitude sur les conditions initiales et contribue de façon importante à la dispersion de l’ensemble prévisionnel. Il doit être malgré tout assisté par l’approche multimodèle et la prévision météorologique d’ensemble pour pouvoir maintenir une dispersion adéquate pour des horizons dépassant le court terme. Il est également démontré que les systèmes qui sont plus précis et plus fiables fournissent en général une meilleure valeur économique, même si cette relation n’est pas définie précisément. Les différentes incertitudes inhérentes à la prévision hydrométéorologique ne sont pas totalement éliminées, mais en les traitant avec des outils spécifiques et adaptés, il est possible de fournir une prévision d’ensemble qui soit à la fois précise, fiable et économiquement attractive. / A proper consideration of the different sources of uncertainty is a key point in hydrometeorological forecasting. Ensembles are an attractive alternative to traditional deterministic forecasts that provide information about the likelihood of the outcomes. Moreover, ensembles can be generated wherever a source of uncertainty takes place in the hydrometeorological modeling chain. The global objective of this thesis is to identify a system that is able to decipher the three main sources of uncertainty in modeling, i.e. the model structure, the hydrological model initial conditions and the meteorological forcing uncertainty, to provide accurate, reliable, and valuable forecast. The different uncertainties should be quantified and reduced in a coherent way, that is to say that they should be addressed explicitly with a cohesive approach that ensures to handle them adequately without redundancy in the action of the different tools that compose the system. This motivated several sub-objectives, the first one of which focusing on the multimodel approach to identify its benefits in an operational framework. Secondly, the implementation and the features of the Ensemble Kalman Filter (EnKF) are put under scrutiny to identify an optimal implementation. The next step reunites the knowledge of the two first goals by merging their strengths and by adding the meteorological ensembles to build a framework that issues accurate and reliable forecasts. This system is expected to decipher the main sources of uncertainty in a coherent way and provides a framework to study the contribution of the different tools and their interactions. Finally, the focus is set on the forecast economic value and provides an attempt to relate the different systems that have been built to economic value and forecast quality. It is found that the combination of the EnKF, the multimodel, and ensemble forcing, allows to issue forecasts that are accurate and nearly reliable. The combination of the three tools outperforms any other used separately and the uncertainties that were considered are deciphered thanks to their complementary actions. The 20 dissimilar models that compose the multimodel ensemble are able to minimize the uncertainty related to the model structure, thanks to the particular role they play in the ensemble. Such approach has the capacity to outperform more a complex semi-distributed model used operationally. To deal optimally with the initial condition uncertainty, the EnKF implementation may be complex to reach because of the unintuitive specification of hyper-parameters and the selection of the state variable to update, and its varying compatibility with hydrological model. Nonetheless, the filter is a powerful tool to reduce initial condition uncertainty and contributes largely to the predictive ensemble spread. However, it needs to be supported by a multimodel approach and ensemble meteorological forcing to maintain adequate ensemble dispersion for longer lead times. Finally, it is shown that systems that exhibit better accuracy and reliability have generally higher economic value, even if this relation is loosely defined. The different uncertainties inherent to the forecasting process may not be eliminated, nonetheless by explicitly accounting for them with dedicated and suitable tools, an accurate, reliable, and valuable predictive ensemble can be issued.

Les changements climatiques attendus pour les prochaines décennies auront des impacts non négligeables sur la performance à long terme des réseaux routiers québécois, notamment durant la période hivernale. Cette étude a pour objectif de quantifier l’effet des changements climatiques attendus en hiver, c’est-à-dire les effets d’une diminution de l’indice de gel et d’une hausse du nombre d’épisodes de redoux hivernaux. Tout d’abord, un adoucissement des températures hivernales aura un impact positif en réduisant l’endommagement des chaussées causé par les phénomènes de soulèvement au gel. Une augmentation de durée de vie relative de 6 à 17 % est attendue pour l’horizon climatique [2011-2040]. De plus, une méthode d’ajustement de l’indice de gel utilisé en conception a également été établie pour adapter les futures chaussées à des hivers moins rigoureux. Par la suite, l’effet d’une augmentation du nombre de redoux hivernaux aura des effets négatifs sur les chaussées en occasionnant une augmentation de l’endommagement par déformation permanente dans la couche de fondation granulaire et par fatigue dans la couche de béton bitumineux. Des essais triaxiaux ont été réalisés pour évaluer la performance en déformation permanente de différents types de MG-20 soumis à une répétition de redoux hivernaux. Ces essais ont ensuite été validés par des essais effectués à l’aide d’un simulateur de charge roulante. Il a été possible de conclure que, pour l’horizon climatique [2011-2040], les chaussées flexibles au Québec subiront une perte de durée de vie relative variant de 7 à 13 % en déformations permanentes. Concernant l’endommagement par fatigue, la perte de durée de vie relative attendue varie de 5 à 8 %. Finalement, certaines méthodes de mitigation sont proposées afin d’adapter les réseaux routiers aux changements climatiques. / In the coming decades climate change will have significant impacts on the long-term performance of the road network of Quebec, particularly during winter period. This study quantifies the effect of climate change expected in winter, precisely the effect of a decrease in the freezing index and an increase in the number of episodes of winter thaws. Firstly milder winter temperatures will have a positive impact by reducing pavement damage caused by frost heaves. Increased duration of life of about 6-17% is expected for climate horizon [2011-2040]. In addition, an adjustment of the freezing index has also been established to adapt construction of future pavement structure to less severe winters. Thereafter, the effect of an increase in the number of winter thaws events will have a negative impact on pavements increasing damages by permanent deformation in the granular base and by fatigue in the asphalt concrete layer. Triaxial tests were conducted to evaluate the performance on permanent deformation of different types of MG-20 subjected to repeated winter thaws. These tests were then validated using a small-scale heavy vehicle simulator. It was possible to conclude that, for the climate horizon [2011-2040], flexible pavements in Quebec will suffer a loss of lifetime ranging from 7 to 13% in permanent deformation. Regarding the fatigue damage, we expect a reduction of lifetime from 5 to 8%. Finally, some mitigation methods are proposed to adapt road networks to climate change.

En milieu pergélisolé, les modifications environnementales telles que la construction d’infrastructures et les changements climatiques ont des répercussions sur le régime thermique du sol et peuvent entraîner une fonte inhabituelle du pergélisol, provoquant une dégradation de ses propriétés mécaniques. La connaissance des caractéristiques du pergélisol est donc primordiale pour faire les bons choix lors des projets de construction. L’objectif de ce projet est de faciliter l’exécution des campagnes d’évaluation du tassement de fonte des sols gelés, en développant un outil de forage capable de réaliser ces essais in situ. Un prototype dont l’apparence est celle d’un carottier avec tarière double a été construit. Des tests en laboratoire ont été réalisés dans des barils de glace pure et de pergélisol synthétique. La capacité de carottage ainsi que la fiabilité des essais de tassement de fonte pour différents types de sols, fins et plus grossiers, ont été évaluées. / In permafrost areas, environmental changes such as infrastructure building and climate change have effects on the thermal regime of soil and can prompt unusual permafrost melt. As a consequence, this will lead to degradation of the mechanical properties of the soil. Thus, good knowledge about permafrost characteristics is essential to make right decisions during building projects. The goal of this project is to facilitate the execution of campaigns related to thaw settlement assessment of frozen soils. This can be achieved by developing a drilling tool that is able to carry out these in situ tests. A prototype was built. From the outside, the invention looks like an ice coring auger. Laboratory tests were made in pure ice and synthetic permafrost barrels. The coring ability and the reliability of the thaw settlement tests were appreciated for different kind of soils, fine and coarser.

En faisant l’adaptation d’un modèle numérique récemment développé à l’Université Laval, il a été possible d’évaluer le flux thermique à travers une fondation construite dans différents sols typiques. L’étude consiste en une analyse numérique de transfert thermique incluant la conduction, la convection, le transfert de vapeur et le changement de phase dans des conditions hydrostatique pour des conditions de fondations et de sols représentatives. La comparaison des modèles incluant différents modes de transfert thermique ne montre pas de différence significative à l’exception du modèle incluant le changement de phase. Les résultats montrent une augmentation du flux thermique d’environ 0,5 W/m2 au maximum provoqué par le changement de phase. Ce travail comprend également la comparaison des déperditions thermiques dans l’argile, le sable et le silt.

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.

Un modèle éléments finis d'une cathode dotée d'un insert de cuivre dans la barre collectrice a été développé. Ce modèle thermo-électro-mécanique inclut des interfaces afin de simuler le contact entre différents matériaux de l'assemblage. Afin d'optimiser ce modèle, une analyse économique basée sur le coût électrique d'opération, le coût de revêtement des cuves ainsi que l'espérance de vie des cuves a été effectuée. La géométrie du modèle de référence est ensuite variée afin de générer une surface de réponse multidimensionnelle basée sur le critère économique. Les résultats indiquent que des économies substantielles peuvent être réalisées en réduisant la résistivité de la barre collectrice et en améliorant le contact à l'interface. De nouveaux designs de cathode sont également analysés. Un design muni d'une tige de cuivre insérée dans un trou percé à même le bloc de carbone afin d'en collecter le courant électrique est prometteur. Finalement ce modèle a permis d'étudier la qualité du contact entre différents matériaux de la cathode et l'effet de ce contact sur la performance des cuves. / A finite element model of a cathode assembly including a copper insert inside the steel collector bar was developed. This thermo-electro-mechanical model includes interfaces to simulate the contact between different materials. In order to optimize this model, an economic analysis based on the electrical operating cost, the relining cost and the life expectancy of a pot is proposed. The geometry of the model is subsequently varied in order to generate a multidimensional response surface based on these economic criteria. Results indicate that substantial economies can be achieved by reducing the collector bar's resistivity and by improving contact at the interface. New promising cathode assembly designs are also analysed. A design using a copper rod inserted in a hole drilled in the carbon block to collect the current is promising. Finally, this model provides some insight in the contact between the different materials of the cathode assembly and its effect on the cell performance.

"Thèse en cotutelle pour le doctorat en génie des eaux Université Laval Québec et Ghent University à Ghent, Belgique" / La prise de conscience croissante de l’épuisement des ressources naturelles, la demande croissante de nutriments et d’énergie pour la production alimentaire et les normes de plus en plus strictes de décharge des nutriments et de fertilisation, ont donné lieu à une attention accrue pour la récupération des nutriments à partir des déchets municipaux et agricoles. Cette thèse de doctorat vise à stimuler la transition vers une bio-économie en fournissant des (moyens à développer des) stratégies durables pour la récupération des nutriments à partir des déchets organiques après la production de bio-énergie par la digestion anaérobie. Une attention particulière est accordée à la valorisation des produits récupérés comme substituts renouvelables aux engrais chimiques et/ou comme engrais organo-minéraux durables dans l'agriculture. Trois phases de recherche complémentaires ont été exécutées: 1) l'inventaire des technologies et la classification des produits, 2) l'évaluation de la valeur des produits, 3) la modélisation et l’optimisation des procédés. Dans la première phase, une revue systématique des technologies et une classification des produits ont été réalisées. Dans la seconde phase, la caractérisation des produits et des analyses de bilan de masse dans des stations de récupération des ressources de l’eau et des déchets (StaRRED) à grande échelle ont été exécutées. Une évaluation économique et écologique de différents scénarios de bio-fertilisation a été menée et les scénarios les plus durables ont été sélectionnés pour une évaluation agronomique réalisée ultérieurement sur le terrain et à l'échelle de la serre. Dans la troisième phase, une librairie générique de modèles pour la récupération des nutriments a été élaborée visant à modéliser la quantité et la qualité d'engrais. Une meilleure compréhension de la performance et des interactions des processus unitaires a été obtenue par des analyses de sensibilité globale. Les modèles ont été utilisés avec succès comme un outil pour la configuration et l'optimisation des chaînes de traitement. Sur la base de toutes les connaissances acquises, une feuille de route générique pour la mise en place des stratégies de récupération des nutriments en fonction des marchés et des législations des engrais, et de la caractérisation des déchets a été développée. En tant que telle, la présente thèse développe les concepts de fermeture maximale des cycles des nutriments dans une approche du berceau-au-berceau. Le travail apporte des preuves importantes de l'impact positif des produits récupérés sur l'économie, l'agronomie et l'écologie de la production végétale intensive. En outre, cette thèse offre des informations et des outils fondamentaux pour faciliter la mise en œuvre et l'optimisation des stratégies durables de récupération des nutriments. Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour une croissance économique durable axée sur les ressources biologiques et créent ainsi une situation gagnant-gagnant pour l'environnement, la société et l'économie en Belgique, au Canada, et au-delà. / The increasing awareness of natural resource depletion, the increasing demand of nutrients and energy for food production, and the more and more stringent nutrient discharge and fertilization levels, have resulted in an increased attention for nutrient recovery from municipal and agricultural wastes. This PhD dissertation aims at stimulating the transition to a bio-based economy by providing (tools to develop) sustainable strategies for nutrient recovery from organic wastes following bio-energy production through anaerobic digestion (= bio-digestion waste). Particular attention is paid to the valorization of the recovered products as renewable substitutes for chemical fertilizers and/or as sustainable organo-mineral fertilizers in agriculture. Three complementary research phases were conducted: 1) technology inventory and product classification, 2) product value evaluation, 3) process modelling and optimization. In the first phase, a systematic technology review and product classification was performed. In phase 2, product characterizations and mass balance analyses at full-scale waste(water) resource recovery facilities (WRRFs) were executed. An economic and ecological evaluation of different bio-based fertilization scenarios was conducted and the most sustainable scenarios were selected for subsequent agronomic evaluation at field and greenhouse scale. In phase 3, a generic nutrient recovery model library was developed aiming at fertilizer quantity and quality as model outputs. Increased insights in unit process performance and interactions were obtained through global sensitivity analyses. The models were successfully used as a tool for treatment train configuration and optimization. Based on all acquired knowledge, a generic roadmap for setting up nutrient recovery strategies as function of fertilizer markets, legislations, and waste characterization was established. As such, the present dissertation further develops the concepts of maximally closing nutrient cycles in a cradle-to-cradle approach. The work reveals important evidence of the positive impact of recovered products on the economy, agronomy, and ecology of intensive plant production. Moreover, it provides the fundamental information and tools to facilitate the implementation and optimization of sustainable nutrient recovery strategies. All of this may open up new opportunities for sustainable and more bio-based economic growth and thus create a win-win situation for the environment, the society, and the economy in Belgium, Canada, and beyond.

La nécessité du traitement d'eaux de ruissellement routier chargées en sel de voirie (sodium, calcium, chlorure) et d'eaux issues d'une agriculture intensive (phosphore) a permis l'étude (Saint-Augustin, Canada) et l'évaluation de la transposition (Massif-Central, France) d'une unité filtrante basée sur des principes physicochimiques d'adsorption. Un suivi qualitatif et hydraulique des eaux de surface ainsi qu'une étude des matériaux constituant l'unité (calcite, dolomie, pouzzolane, anthracite) ont été accomplis. Des mesures de débit par déversoir, essais de traçage, échantillonnage d'eau ont été réalisés sur terrain. Des essais d'adsorption, cinétiques, isothermes et colonnes ont été faits en laboratoire. L'étude terrain a montré que l'unité filtrante est assimilable à un réacteur piston pour des débits supérieurs à 400 mL/s, et permet un abattement maximum respectif de 67%, 71% et 70% pour le chlorure, calcium et phosphore total. L'étude en laboratoire a révélé une adsorption de 20% du sodium (calcite) et 15,4% du chlorure (dolomie). / The treatment necessity of run off water concentrated in road salts (sodium, calcium, chloride) and intensive agriculture stemming waters (phosphor) allowed the study (Saint-Augustin, Canada) and the evaluation of the transposition (Massif-Central, France) of a filtering unit based on adsorption physicochemical properties. A qualitative and hydraulic follow-up of surfaces waters as well as a study of the unit constituting materials (calcite, dolomite, pozzolan, anthracite) were carried out. Flow measures by overflow, tracers tests, water sampling were realized on the field. Adsorption, kinetics, isotherms and columns tests have been made in laboratory. The field study showed that the filtering unit is comparable to a plug flow reactor for flows over 400 mL/s, and allows a respective maximum allowance of 67%, 71% and 70% for the chloride, calcium and total phosphor. The study in laboratory revealed an adsorption of 20% for the sodium (calcite) and 15,4% for the chloride (dolomite).