L’eutrophisation en milieux côtiers et estuariens est souvent reliée à une augmentation des apports en nutriments aux systèmes stimulant leur productivité et représente, à ce jour, l’un des plus gros enjeux associés aux impacts de la pollution par les activités anthropiques. Le Saint-Laurent, considéré comme l’un des plus grands systèmes hydrographiques au monde, fait désormais l’objet d’études cherchant à mieux comprendre les causes du développement d’une zone hypoxique (i.e. zone déficitaire en oxygène dissous) en eau profonde au niveau de son estuaire. Deux grandes causes principales pourraient expliquer cette diminution d’oxygène : une variation au niveau des températures et des teneurs en oxygène des courants de l’Atlantique ainsi qu’une augmentation de la demande en oxygène expliquée par la décomposition de la matière organique. Dans ce contexte, l’objectif principal de ce projet est de caractériser la répartition spatiale et saisonnière des éléments nutritifs de l’estuaire moyen et maritime, entre la ville de Québec et Pointe-des-Monts. Les données recueillies sont issues d’expéditions en mer menées au cours des quatre saisons entre l’automne 2017 et l’été 2019. Des incubations avec enrichissement de nitrate, d’ammonium ou d’urée marqué au ¹⁵N ont également été effectuées à différents points de l’estuaire afin de quantifier et de caractériser la prise d’azote par le phytoplancton. Les résultats indiquent la présence de gradients spatiaux dans les concentrations de nutriments associés à la zone de transition entre la portion d’eau douce et d’eau salée de l’estuaire. Les secteurs de Québec et de l’estuaire moyen présentent une variation saisonnière importante largement associée aux apports provenant de la portion fluviale du fleuve. Les données printanières suggèrent également que les concentrations de surface en nitrate de l’estuaire maritime sont influencées par la propagation des concentrations élevées observées en amont. Les ratios azote:phosphore (N:P) inorganiques dissous indiquent que la région de Québec est passée d’une limitation en phosphore à une limitation en azote depuis les années 1970. Les taux maximaux de prise d’azote par le phytoplancton ont été mesurés dans le secteur de Québec et de l’estuaire moyen au cours des quatre saisons. La contribution relative des différentes formes d’azote indique que le nitrate et l’ammonium sont préférés à l’urée quelle que soit la position dans l’estuaire. Ces travaux, qui pourront désormais servir de référence, permettent une meilleure compréhension de la dynamique des nutriments dans l’estuaire du Saint-Laurent. / Eutrophication in coastal and estuarine environments is often linked to an increase in nutrient inputs to ecosystems, stimulating their productivity and, to date, represents one of the biggest issues associated with the impacts of pollution from anthropogenic activities. The St. Lawrence System is considered one of the largest hydrographic systems in the world and is now the subject of studies that are looking into the causes of the development of a hypoxic zone (i.e. a zone lacking in dissolved oxygen) in the deep waters of its estuary. Two main causes have been identified to explain this decrease in dissolved oxygen: a variation in water temperature and oxygen levels in the Atlantic currents, and an increase in oxygen demand due to the decomposition of organic matter. In this context, the main objective of this project is to characterize the spatial and seasonal distribution of nutrients in the Upper and Lower Estuaries, between Quebec City and Pointe-des-Monts. The data has been collected on expeditions conducted in all four seasons between fall 2017 and summer 2019. Incubations with enrichment of ¹⁵N-labelled nitrate, ammonium or urea were also carried out at various stations in the estuary to quantify and characterize nitrogen uptake by phytoplankton. The results indicate the presence of spatial gradients in nutrients concentrations associated with the transition zone between the freshwater and marine portions of the estuary. The Quebec City and Upper Estuary sectors show significant seasonal variation largely associated with inputs from the upstream river. The spring data also suggest that surface nitrate concentrations in the Lower Estuary are influenced by the spread of high concentrations observed upstream. Dissolved in organic nitrogen:phosphorus ratios indicate that the Quebec City area has undergone a transition from phosphorus to nitrogen limitation since the 1970s. Maximum nitrogen uptake rates by phytoplankton were measured in the Quebec City area and the Upper Estuary in all four seasons. The relative contribution of the different forms of nitrogen indicates that nitrate and ammonium are preferred to urea regardless of position in the estuary. This work, which can now be used as a reference, provides a better understanding of the dynamics of nutrients in the St Lawrence Estuary.

Le procédé de coagulation constitue la première étape de traitement de la chaîne conventionnelle de production d’eau potable. La détermination du dosage optimal de coagulant à appliquer est relativement complexe puisqu’elle requiert l’atteinte simultanée de plusieurs objectifs. Il est donc pertinent de développer des outils d’aide à la décision pour assister les opérateurs dans le choix de la dose de coagulant. L’objectif de l’étude était de fournir des outils aux opérateurs de l’usine de traitement des eaux (UTE) de Sainte-Foy pour les aider dans le choix du dosage de sulfate d’aluminium (alun). Dans le cadre de ce projet, quatre outils ont été ainsi développés : un modèle de prédiction du dosage d’alun à appliquer, deux modèles de prédiction de la concentration en carbone organique dissous (COD) à l’eau décantée et un capteur virtuel qui permet de prédire la concentration en COD aux eaux brute et décantée. Dans tous les cas, il s’agit de modèles neuronaux. Le premier modèle permet de prédire le dosage d’alun à appliquer en reproduisant la bonne opération antérieure effectuée à l’usine en termes de réduction de la turbidité. Les variables d’entrée du modèle sont le mois, la conductivité, la température, la turbidité et le pH à l’eau brute. L’ajustement du modèle a été effectué à partir de données d’opérations récoltées aux 5 minutes pendant 4 années (378 535 séries de données). Les dosages prédits diffèrent en moyenne de 5,9% de ceux réellement appliqués. Le second modèle permet de prédire la concentration en COD à l’eau décantée à partir de l’absorbance ultraviolet (UV) à 254 nm et du COD à l’eau brute, du pH de coagulation et de la dose d’alun appliquée. Les performances du modèle 2 ont été comparées à celles obtenues à partir de deux autres modèles empiriques provenant de la littérature et permettant de prédire la concentration en COD après coagulation. Le modèle neuronal 2 a de meilleures performances de prédiction que ces deux autres modèles empiriques. Les concentrations en COD prédites par le modèle 2 diffèrent en moyenne de 9,6% de celles réelles. Le troisième modèle prédit la concentration en COD aux eaux brute et décantée à partir de l’absorbance UV, de la température, de la turbidité et du pH. Il agit à titre de capteur virtuel de COD et permet de rendre compte de l’efficacité de l’enlèvement de la matière organique naturelle par les étapes de coagulation, floculation et décantation. Les concentrations en COD prédites par le modèle 3 diffèrent en moyenne de 13,2% de celles réelles. Enfin, le quatrième modèle permet de prédire la concentration en COD à l’eau décantée à partir de l’absorbance UV (254 nm) à l’eau brute plutôt que du COD. Les concentrations prédites par ce dernier diffèrent en moyenne de 10,9% de celles réelles. La base de données utilisée pour l’ajustement des modèles 2, 3 et 4 comprend une année de suivi de COD et d’absorbance UV (eaux brute et décantée) à raison de 2 mesures par jour et les données d’opération récoltées en continu pour la même période. Les performances des quatre modèles sont présentées et discutées en fonction de leur implantation possible à l’usine et des améliorations pouvant leur être apportées. De tous les modèles développés, le seul qui pourrait être implanté à court terme est le modèle 1. En effet, les modèles 2, 3 et 4 sont préliminaires et devraient être mis à jour à partir de bases de données plus grandes comprenant davantage de périodes de variations et rendre de meilleures performances avant de pouvoir être implantés en usine. Les modèles développés pourraient être intégrés afin de permettre aux opérateurs de choisir le dosage de coagulant à appliquer qui permettrait de faire un compromis entre les différents objectifs du procédé de coagulation. Cela pourrait améliorer encore davantage la qualité de l’eau produite. / The coagulation process is the first step of the conventional drinking water treatment chain. It is an important treatment step since it affects the efficiency of the subsequent treatment steps namely flocculation, settling, filtration and disinfection. It is relevant to develop decision aid tools to assist operators in the choice of the coagulant dose. This project aims at developing such tools. More specifically, the objective of the study was to provide tools for the operators of the Sainte-Foy water treatment plant to help them in choosing the appropriate aluminum sulphate dose (alum). As part of this project, three tools were developed: a model for the prediction of the coagulant dose, two models for the prediction of dissolved organic carbon (DOC) concentration of settled water and a virtual sensor which allows predicting DOC concentration of raw and settled waters. All models are neural network models. The first model allows the prediction of the alum dosage by mimicking the good previous operation performed at the plant in terms of turbidity reduction. The input variables of the model are the month, the conductivity, temperature, turbidity and pH of raw water. The model was developed from operation data collected every 5 minutes during 4 years (378 535 data sets). Dosages predicted vary by an average of 5,9% of those actually applied. The second model allows the prediction of the DOC of the settled water. The input variables are the UV absorbance and DOC of raw water, pH of coagulation and alum dosage applied. Performances of the second model are compared with those obtained from two others empirical models (from the literature) that allow the prediction of the DOC of the settled water. Compared to these models, the second neural model gives better prediction performance. DOC concentrations predicted by the second model vary by an average of 9,6% of those actually measured. The third model allows the prediction of the DOC of raw and settled water. The input variables are the UV absorbance, temperature, turbidity and pH. The model acts as a virtual sensor of DOC concentration and allows the evaluation of the removal efficiency of natural organic matter by the coagulation, flocculation and settling steps. DOC concentrations predicted by the third model vary by an average of 13,2% of those actually measured. Finally, the fourth model allows the prediction of the DOC of settled water from UV absorbance of raw water instead of DOC. Concentrations predicted by that model vary by an average of 10,7% of those actually measured. The database for the adjustment of the second, third, and fourth models includes one year of DOC and UV absorbance monitoring at raw and settled water performed twice daily and operation data continuously collected. The models performances are presented and discussed according to their implementation and use in the treatment plant. A way to improve developed models is also described. Actually, only the first model could be implemented on a short term basis. Models 2, 3 and 4 are actually preliminary models that would need to be updated with larger databases including more variation periods before implementation. Developed models could be integrated to allow the operators to choose the alum dosage that can afford to make a compromise between the different objectives of the coagulation process. This could further improve the treated water quality.

Le traitement de l’eau au point d’utilisation est recommandé par l’Organisation mondiale de la santé (OMS) pour réduire l’incidence des maladies diarrhéiques, en prévenant la contamination microbiologique de l’eau de boisson. Les produits de coagulation/désinfection combinés (PCDC) et la désinfection combinée à un entreposage de l’eau sécuritaire font partie des traitements au point d’utilisation recommandés par l’OMS. Bien que les performances d’enlèvement des microorganismes pathogènes de ces produits soient bien documentées, les sous-produits de désinfection (SPD) résultant de la réaction du chlore qu’ils contiennent avec la matière organique dissoute (MOD) présente dans l’eau, ont été peu étudiés jusqu’à maintenant. Ce projet avait comme objectif de caractériser la formation des SPD par 4 produits destinés au traitement au point d’utilisation sur trois types d’eau (eau de marais, eau du fleuve St-Laurent et eau synthétique de laboratoire). Deux des quatre produits testés sont des PCDC (PUR® et Aquafloq®), alors que les deux autres ne contiennent pas de coagulant (solution d’hypochlorite de sodium (NaOCl) et pastilles Aquatabs®). Les concentrations en trihalométhanes (THM) et en acides haloacétiques (AHA) de l’eau traitée ont été suivies aux pas de temps 30 minutes, 1h, 4h et 24h. Sur les 15 tests réalisés, 6 d’entre eux ont obtenu des concentrations en SPD qui dépassent les recommandations de l’OMS. Les concentrations maximales en THM4 (415 ppb) et AHA5 (335 ppb) ont été obtenues pour le test NaOCl à double dose (8,4 mg Cl2/L) dans l’eau du marais. L’efficacité de méthodes d’estimation des concentrations en SPD, c.-à-d. le différentiel d’absorbance UV (DAUV) et la consommation en chlore (CCL), ont également été étudiées. Les performances de ces méthodes variaient selon les types de SPD (R2 allant de 0,69 pour les THM4 avec la CCL, à 0,98 pour les AHA5 avec le DAUV). / Point of use treatment is recommended by the World health organisation (WHO) to reduce diarrhoeal diseases, by preventing microbial contamination of drinking water. Coagulant-disinfectant products (CDP) and disinfection combined to safe storage practices are among the point of use treatments recommended by the WHO. Since microbial reduction performances of these products are well documented, little is known about the disinfection by-products (DBP) formed by the reaction of the free chlorine they contain, with the dissolved organic matter present in the water. This project aimed to characterize the formation of DBP by 4 point of use treatments in 3 different water source (swamp, St-Laurent River and laboratory synthetic water). 2 of the 4 tested products were CDP (PUR® and Aquafloq®), and the 2 others didn’t have coagulant (sodium hypochlorite (NaOCl) solution and Aquatabs® tablets). Trihalomethane (THM) en haloacetic acids (HAA) concentrations in treated water were measured at 4 different time steps: 30 min, 1h, 4h, and 24h. On the 15 tests realized, 6 of them had DBP concentrations that exceeded the WHO guidelines. Maximum THM4 (415 ppb) and HAA5 (335 ppb) concentrations were obtained with double dose NaOCl (8,4 mg Cl2/L) in the swamp. Alternative methods allowing estimation of DBP formation concentrations (e.g. differential UV absorbance (DUVA) and chlorine consumption (CLC)) were also investigated. Their performances varied according to the DBP’s nature (from R2 =0.69, for THM4 with CLC, to R2 =0.98, for HAA5 with DUVA).

Depuis des décennies, les pays du monde entier s'affairent à préserver leurs précieuses ressources en eau potable. Ils cherchent à anticiper les risques et à réduire les impacts anthropiques qui pourraient altérer les sources d'approvisionnement. Au Canada, la protection des sources d'eau potable (PSEP) est mise en œuvre au sein de l'approche à barrières multiples, dont elle est l'une des barrières fondamentales. Cette approche permet une gestion multidimensionnelle de l'eau à l'aide d'outils et des pratiques visant à assurer la qualité de l'eau de la source au robinet. Bien que différents cadres existent pour prendre en compte l'eau dans l'aménagement du territoire, la mise en œuvre de la protection des sources peine à se concrétiser. Pourtant, les acteurs de l'eau et de l'aménagement du territoire ont une grande expérience dans la mise en œuvre d'actions. Alors, comment partager ces expériences afin de les soutenir dans l'identification et la mise en œuvre de futures actions de protection des sources ? Le but de cette thèse est de développer un prototype de système d'aide à la décision à base de connaissances (KB-DSS). Celui-ci a pour objectif de faciliter l'identification d'actions ciblées de PSEP selon les problèmes rencontrés. Pour ce faire, ce prototype a été développé sur la base des connaissances issues des expériences vécues depuis deux décennies au Québec, mettant à contribution des expériences réelles de mise en œuvre d'actions liées à la protection de l'eau. Il est conçu pour être utilisable par tout acteur ayant un intérêt à agir pour protéger les sources d'eau potable à l'échelle locale et régionale, via un transfert de connaissances dans le processus d'élaboration et de mise en œuvre d'actions. En étant un support dans la définition des actions futures, le prototype développé entend encourager les parties prenantes à apprendre les unes des autres. L'originalité de la thèse repose sur l'adoption combinée de l'approche en science du design/de la conception (DSR), qui a servi de lignes directrices pour adopter une démarche collaborative et transparente. Celle-ci a permis une application réussie du raisonnement à base de cas (CBR) au complexe problème de la PSEP dans un cadre de gestion de l'eau et du territoire. De cette démarche sont nés différents outils méthodologiques, procédures et connaissances permettant de mieux comprendre les problèmes liés à la PSEP, mais également d'illustrer la conception intégrale d'un prototype d'aide à la décision à base de connaissances utilisant le CBR. Tout d'abord, le cadre conceptuel (chapitre 1) explore et tente de comprendre les liens qui existent entre la nature des problèmes à résoudre pour protéger l'eau, l'environnement décisionnel et la prise de décision. Pour ce faire, le cadre adopte une approche systémique et holistique superposant différentes théories et concepts tels que la gouvernance de l'eau, la gestion de l'eau, la prise de décision, la rationalité et la connaissance. Cette compréhension des défis sous-jacents à la mise en œuvre de la PSEP permettait de mieux comprendre la complexité du problème à résoudre et posait les bases à l'élaboration du prototype de système CBR proposé. Dans l'optique de mieux comprendre comment les défis soulevés dans le cadre conceptuel se concrétisent en pratique, le second chapitre présente une enquête en ligne documentant la mise en œuvre de la PSEP au Québec. Celle-ci visait à brosser un portrait-diagnostic permettant de mieux comprendre le processus décisionnel, d'identifier qui sont les intervenants et quelles sont les connaissances produites et mobilisées pour la prise de décision sur la PSEP. Les analyses qualitatives et quantitatives des réponses des 208 intervenants retenus ont permis de constater que la mise en œuvre de la PSEP impliquait une grande diversité d'intervenants, de tâches et de connaissances créées et se caractérisait par un fort dynamisme inter-organisationnel. Cependant, on constatait que son processus décisionnel perdait en inclusivité au fil des étapes de mise en œuvre, que les connaissances étaient parfois redondantes et qu'il existait de nombreux enjeux de transfert de connaissances (accès, quantité ou qualité des connaissances) entre les intervenants. Lors de l'enquête en ligne présentée au second chapitre, il a été demandé à certains acteurs (organismes de bassins versants, villes, municipalités régionales de comté) d'illustrer les problèmes liés à la PSEP rencontrés sur le terrain. En parallèle, 102 intervenants se sont auto-recrutés pour participer au processus de design du système d'aide à la décision. Le troisième chapitre présente la démarche d'acquisition et de structuration des connaissances du dit KB-DSS par une approche CBR. Le chapitre décrit une seconde enquête en ligne ayant permis de définir ce qu'est un cas pour la PSEP, soit une expérience vécue qui consiste en une multitude de problèmes et de solutions mises en œuvre. Puis, il décrit la modélisation d'une taxonomie des connaissances ayant permis d'aboutir à des descriptions structurées des cas. La conception des cas repose sur le savoir-faire et les besoins en connaissances exprimés par les acteurs de l'eau. La base de cas constitue l'épine dorsale du prototype de KB-DSS destiné à guider les décideurs dans l'élaboration de solutions fondées sur des expériences passées. Le quatrième chapitre présente le prototype de KB-DSS/CBR pour la protection des sources d'eau potable. Il retrace comment le CBR a été modélisé, structuré, implanté, testé et validé en collaboration avec les 102 acteurs de la gestion et de la gouvernance de l'eau au Québec. Il décrit l'intégralité du processus manuel d'ingénierie de cas pour concevoir des attributs qualitatifs sur la base de la taxonomie des connaissances. Il présente l'édition des cas, le processus et les métriques permettant de retrouver des cas, l'implantation et un exemple d'utilisation ainsi que la validation du prototype, réalisée par une procédure participative rigoureuse et transparente avec un petit groupe d'acteurs de l'eau du Québec. Ainsi, il fournit des preuves empiriques du potentiel positif d'une approche CBR pour la PSEP sur le territoire, et retrace une démarche qui peut être généralisée à d'autres contextes géographiques et socio-économiques similaires. / Countries worldwide have been working for decades to preserve their precious drinking water resources. They seek to anticipate risks or reduce anthropogenic impacts that could alter the water quality and availability. In Canada, drinking water source protection (DSWP), or source water protection (SWP), is implemented as part of the multi-barrier approach and is one of the fundamental barriers. This approach allows for multidimensional water management using tools and practices to ensure water quality from source to tap. Although various frameworks exist to consider water in spatial planning, the implementation of DWSP is struggling to materialize. However, water and spatial planning actors have significant experience implementing actions. So, how can these experiences be shared to support them in identifying and implementing future DWSP actions? The goal of this thesis is to develop a prototype of a knowledge-based decision support system (KB-DSS). The objective of this prototype is to facilitate the identification of targeted actions for water protection according to the problems encountered. To do so, this prototype was developed based on knowledge gained from past experiences conducted over the last two decades in Quebec, using real experiences in implementing actions related to water protection. It is designed to be used by any actor with an interest in contributing for the protection of drinking water sources at the local and regional levels, through the transfer of knowledge in the process of developing and implementing actions. By being a support in the definition of future actions, the developed prototype intends to encourage the actors to learn from each other. The originality of the thesis lies in the combined adoption of the design science approach (DSR), which served as a guideline to adopt a collaborative and transparent approach. This allowed for a successful application of case-based reasoning (CBR) to the complex problem of DWSP in a water and territory management framework. From this approach, various methodological tools, procedures and knowledge were developed to better understand the DWSP problems, but also to illustrate the complete design of a prototype knowledge-based decision support system using CBR. First, the conceptual framework (chapter 1) explores and attempts to understand the links between the nature of the problems to be solved to protect water, the decision-making environment, and the decision-making process. These issues were explored by adopting a system analysis that allowed for layering concepts such as water governance, water management, decision-making, rationality, and knowledge. This holistic understanding of the underlying challenges of DWSP implementation provided a better understanding of the complexity of the problem at hand and laid the foundation for developing the proposed CBR system. To better understand how the challenges raised in the conceptual framework materialize in practice, the second chapter presents an online survey documenting the implementation of DWSP in Quebec. This survey aimed to provide a diagnostic portrait to understand the decision-making process better and identify the actors and the knowledge produced and mobilized for DWSP decision-making. Qualitative and quantitative analyses of the responses from the 208 selected actors revealed that the implementation of DWSP involved a wide variety of actors, tasks and knowledge created and was characterized by great inter-organizational dynamism. However, it was found that the decision-making process becomes less inclusive as actions are implemented. Also, the knowledge was sometimes redundant, and there were many problems with the knowledge transfer (access, quantity, or knowledge quality) between actors. During the online survey presented in the second chapter, selected actors (watershed organizations, municipalities, counties, etc.) were asked to illustrate DWSP-related problems encountered in the field. In parallel, 102 actors were self-recruited to participate in the design process of the KB-DSS. The third chapter presents the acquisition and structuring of DWSP problem-related knowledge. The chapter describes a second online survey that helped define a DWSP case, i.e., a lived experience consisting of a multitude of problems and solutions implemented at various scales by various actors. It then describes the modelling of a knowledge taxonomy that led to structured case descriptions. The design of the cases is based on the expertise and knowledge needs expressed by the water actors. The case base is the backbone of the KB-DSS prototype to guide decision-makers in developing solutions based on past experiences. The fourth chapter presents the prototype KB-DSS/CBR system for DWSP. It traces how CBR was modelled, structured, implemented, tested and validated in collaboration with 102 water management and governance actors in Quebec. It describes the entire manual case engineering process for the design of qualitative attributes from the knowledge taxonomy. It presents the case base, the case edition, and the case retrieval (process and metrics). This chapter also illustrates the implementation using a real-world experience use case, as well as the validation of the prototype, carried out through a transparent, participatory procedure with a small group of water actors in Quebec. Thus, it provides empirical evidence of the high potential of a CBR approach for DWSP in the spatial planning context and describes an approach that can be generalized to other similar geographical and socio-economic contexts.

Les activités agricoles génèrent des effluents riches entre autres en composés phosphorés dont le contrôle constitue un enjeu important du fait de leur implication directe dans le phénomène d'eutrophisation des milieux aquatiques. L'élimina'tion des composés phosphorés se trouvant dans les effluents d'origine agricole et agroalimentaire est conventionnellement effectuée au moyen de traitements biologiques ou de traitements physicochimiques. Les premiers sont souvent complexes, longs à opérer et délicats car ils dépendent de plusieurs facteurs tels que la température, le pH, la concentration en oxygène dissous et la balance des nutriments dans l'eau en plus de générer des boues volumineuses dont il faut disposer. Les traitements physicochimiques les plus employés impliquent la précipitation des espèces phosphorés qui nécessite un contrôle rigoureux du pH et l'ajout de réactifs chimiques souvent coûteux. De plus, ces traitements produisent un précipité insoluble de phosphore métallique qui est non recyclable. Le procédé d'adsorption peut constituer une alternative intéressante et prometteuse du fait qu'il ne produit pratiquement pas de boues en plus de permettre la récupération et la réutilisation des phosphates. Divers adsorbants ont été développés et utilisés pour l'enlèvement des ions phosphate mais leur capacité d'adsorption reste toujours faible et le temps pour atteindre l'équilibre est élevé ce qui nécessite impérativement le développement de nouveaux matériaux adsorbants. Dans cette étude, la silice mésoporeuse SBA -15 possédant une grande surface spécifique, une structure bien définie et une porosité élevée a été utilisée comme adsorbant pour les ions phosphate dissous. En effet, une fois synthétisée, cette silice a été fonctionnalisée en surface avec des groupements amines via la technique de greffage postsynthétique. L'acidification du matériau obtenu a permis de transformer les groupements amines en ammonium responsables du processus d'adsorption par attraction électrostatique. Les tests d'adsorption ont été effectués en batch et les solutions filtrées ont été analysées par HPLC ionique équipé d'une colonne Ionpac AS18 et d'un détecteur de conductivité. L'effet des paramètres opératoires tels que la température, le pH, le temps, la charge en adsorbant, la concentration initiale en ions phosphate, la charge en groupements amine ainsi que le type d'amine de la SBA -15 fonctionnalisée, la présence d'autre anions et cations ainsi que la régénération de l'adsorbent ont été investigués. Les résultats montrent qu'une capacité maximale de 27 mg P/g a été obtenue à SoC. L'adsorption atteint un maximum à pH 4 avec 2 une capacité d'adsorption de 31.5 P mg! g. L'équilibre d'adsorption a été atteint au bout de 10 min. L'augmentation de la charge en adsorbant avait un effet positif sur les pourcentages d'adsorption. La quantité adsorbée de P augmente avec l'augmentation de la concentration de mono- di- ét tri-ammonium jusqu à 40% avec un maximum de --70 mg P/g d'adsorbant. La capacité d'adsorption n'a pas changé après cinq cycles d'adsorption-désorption.

Au vingtième siècle, l’eau insalubre est la deuxième cause de mortalité infantile. Ainsi, l’eau souillée tue 5 fois plus d’enfants que le sida/VIH. À long terme, cette situation crée un cercle vicieux qui tend à condamner les pauvres à rester pauvres. En effet, les conséquences de l’état nutritionnel et du manque d’eau d’une population risquent de se répercuter d’une génération à l’autre et cela peut limiter l’aptitude à bénéficier d’autres services sociaux, comme l’éducation. Cette étude se concentrera davantage sur les enjeux de l’accès à l’eau potable dans les villes africaines. Le milieu urbain, par sa densité de population et donc son marché de consommation potentiel, devrait en effet favoriser la rentabilité des investissements et l’extension des réseaux d’eau. Des projets d’amélioration de l’accès à l’eau et de sensibilisation sont certes mis en place mais les résultats restent mitigés. Parallèlement, les populations dans les villes ne cessent de croître et la problématique devient criante. De plus, les bidonvilles et quartiers non lotis, réalité incontournable des villes africaines, sont souvent complètement occultés dans les politiques pour desservir le territoire. Nous nous interrogerons donc à savoir si les modèles d’accès à l’eau potable sont de simples copies du modèle occidental (basées sur une logique d’accès individuel à l’eau en lien direct avec la possession d’un titre foncier) ou s’il y a émergence de modèle centrés sur les réalités sociales, économiques et politiques propres aux villes africaines. En résumé, c’est donc la question de la rencontre de l’offre et des solutions techniques, avec la demande et les besoins des usagers qui est en jeu. L’analyse sera d’abord macroéconomique avant de se pencher plus particulièrement sur le cas de la ville d’Ouagadougou qui a fait l’objet d’une étude terrain. / In the twentieth century, diseases transmitted through dirty water are the second worldwide leading cause of death, among children. It kills five times more than the HIV. At long-range forecasts, this situation leads to a vicious circle, in which poor people tend to stay poor. Indeed, consequences of the nutritional status and of the lack of access to safe water have repercussions on the present generation and the next ones. Their vulnerability to infectious diseases is exacerbated by inadequate living conditions. It restricts those people’s abilities to take advantage of other social services, as education, and they cannot rise up the social ladder. This paper will focus on the challenges of the access to safe drinking water in the African cities. The urban area should be, by its density, a potential buying market sufficient for patronizing investments and extension of the water network. In fact, improvements in access and making-sensitive projects, do not gather good results, because of the increasing population and the expansion of shantytowns. Those realities, which are an area of vital concern for developing countries, are not taking into account, by the policies, yet. So, we will wonder if the models for safe access to drinking water imitate the occidental vision (access to water directly linked with the ownership of a real estate) or, if there is emergence of models based on social, politic and economic specificities of African cities. In short, this study is about the junction between supply and technical solutions, with demand and the needs of users. After analyzing a macroeconomic point of view, a study case of Ouagadougou will be produced.

En Outaouais, les eaux souterraines sont une ressource essentielle pour les besoins domestiques et agricoles (hors ville de Gatineau, qui utilise les eaux de surface). La région d’étude repose sur le Bouclier Canadien, fait de roches silicatées fracturées recouvertes par les sédiments résultants de la dernière glaciation-déglaciation. Dans ce contexte, améliorer les connaissances sur le fonctionnement des aquifères est vital pour une utilisation durable de la ressource. Pour atteindre cet objectif, un modèle conceptuel a été proposé résultant de l’interprétation des données géochimiques couplée à la modélisation numérique. L’altération des silicates, l’intrusion d’eau saline de l’ancienne Mer de Champlain suivie de l’échange cationique dans les argiles marines affectant les aquifères confinés ainsi que les mélanges d’eaux sont les principaux processus identifiés par une analyse statistique multivariée. A échelle locale, une signature des isotopes stables similaire à celle de la pluie actuelle et la présence de tritium indiquent des temps de résidence relativement courts dans les 100 premiers mètres de profondeur, ce qui est confirmé par la modélisation des écoulements et des âges. La présence d’hélium 4 est attribuée à la diffusion depuis des eaux plus profondes et plus âgées, résultant de la diminution de la conductivité hydraulique avec la profondeur. Des mélanges résultent de l’échantillonnage dans des puits ouverts. Dans les aquifères non confinés, les activités en 14C sont principalement le résultat de l’équilibre de l’eau de recharge avec le CO2 du sol dans un système ouvert suivi de l’altération des silicates par du CO2 fossile ou de la dissolution des carbonates en milieu fermé plutôt que de la décroissance radioactive. Finalement, la simulation des chlorures montre que les restes de la Mer de Champlain seraient présents dans les argiles marines et dans les zones moins perméables de l’aquifère confiné par rapport aux eaux caractérisés par l’échange cationique. L’étude a permis de caractériser la qualité des eaux souterraines dans la partie fracturée du bouclier canadien dans les dépôts du Quaternaire à l’échelle régionale. Les systèmes locaux d’écoulement, avec des temps de résidence courts dans la partie supérieure du roc sont essentiels et doivent être pris en compte pour évaluer la vulnérabilité des ressources en eaux souterraines. / Throughout most of the Outaouais Region, groundwater is an essential resource for both for domestic and agricultural use (except in the city of Gatineau which uses surface water). The study area lies in the Canadian Shield, and includes a fractured silicate bedrock aquifer which is covered by sediments from the last glacial-deglacial period. In this context, improving our understanding of aquifers is vital for a sustainable use of this resource. To fulfill this objective, a conceptual model was proposed based on the interpretation of geochemical data coupled to numerical modelling. Silicate weathering, seawater intrusion by the former Champlain Sea and subsequent cation exchange in marine clays affecting groundwater quality in confined aquifers, and mixing between waters of different ages are identified by a multivariate statistical analysis as the principal geochemical processes. At the local scale, a stable isotope signature similar to current precipitation and the presence of tritium indicate relatively short residence times in the first 100 m below ground surface, which was confirmed by numerical flow and age modelling. The occurrence of helium 4 is attributed to diffusion from deeper older groundwater within lower hydraulic conductivity zones. Some mixing due to sampling in open boreholes may also have occurred. In the unconfined aquifer, 14C activities appear to be the result of such as equilibration of recharge water with soil CO2 in open conditions coupled to silicate weathering by fossil CO2 or carbonate dissolution under closed conditions, rather than from radioactive decay. Finally, chloride transport simulations show that remnants of the Champlain Sea would still be found in marine clays and in the less permeable zones of the confined aquifer whereas groundwater characterised by cation exchange are found in more permeable zones. The study has helped characterize regional groundwater quality in the upper fractured zone of the Canadian Shield and in the Quaternary sediments of the Outaouais region. It has shown the importance of local scale groundwater flow systems and relatively rapid flow in the upper part of the bedrock which need to be considered when assessing the vulnerability of these regional groundwater resources.

L’utilisation d’oxydants, comme l’hypochlorite de sodium, est une stratégie très efficace en traitement de l’eau pour inactiver les microorganismes responsables de plusieurs maladies. Toutefois leur utilisation favorise également la formation de sous-produits de la désinfection (SPD), tels que les trihalométhanes et les acides haloacétiques. La présence d’iodure et de bromure dans l’eau brute peut également conduire à la formation d’autres familles de SPD, les trihalométhanes iodés (THMi) et les acides haloacétiques iodés (AHAi). Cette étude a comme objectif d’évaluer la variabilité des THMi et AHAi dans deux petits réseaux de distribution de la région de Québec (notés R1 et R2) ainsi que de mesurer l’enlèvement des THMi lors de l’utilisation de filtres domestiques. L’échantillonnage de l’eau s’est effectué entre juin et décembre 2017 sur différents points dans l’usine de traitement des eaux et dans le réseau de distribution. Pour le réseau R1, des concentrations moyennes de 2,99 μg/L en THM iodés et de 0,74 μg/L en AHA iodés sont observées, alors que la concentration maximale obtenue est de 4,02 μg/L pour les THM iodés et de 2,46 μg/L pour les AHA iodés. Des concentrations moyennes de 2,98 μg/L en THM iodés et de 0,51 μg/L en AHA iodés sont observées dans le Réseau R2, alors que la concentration maximale obtenue est de 4,05 μg/L pour les THM iodés et de 2,33 μg/L pour les AHA iodés. Les concentrations en THM iodés et en AHA iodés augmentent dans l’usine, particulièrement à la suite de la post chloration et du passage de l’eau par le bassin de contact. Les concentrations en THM iodés restent ensuite stables dans le réseau de distribution alors que celles des AHA iodés diminuent. De plus, l’enlèvement des THMi s’avère très efficace après la filtration de l’eau sur un filtre domestique de type BritaMD, avec un pourcentage d’enlèvement moyen de 100%. / The use of oxidants, such as sodium hypochlorite, is a very effective strategy in treating water to inactivate microorganisms responsible for several diseases. However, their use also favors the formation of disinfection by-products (SPD), such as trihalomethanes and haloacetic acids. The presence of iodide and bromide also allows the formation of other families of SPD, iodinated trihalomethanes (THMi) and iodinated haloacetic acids (AHAi). The purpose of this study is to evaluate the variability of THMi and AHAi in two small distribution networks in the Quebec City region (R1 and R2) and to measure the removal of THMi when using household filters. Water sampling took place between June and December 2017 at various points in the water treatment plant and in the distribution network. For the R1 network, mean concentrations of 2.99 μg / L in iodinated THM and 0.74 μg / L in iodinated AHA were observed, while the maximum concentration achieved was 4.02 μg / L for THMs. iodized and 2.46 μg / L for iodinated AHAs. Mean concentrations of 2.98 μg / L in iodinated THM and 0.51 μg / L in iodinated AHA were observed in Network R2, while the maximum concentration obtained was 4.05 μg / L for iodinated THMs. and 2.33 μg / L for iodinated AHAs. Iodine THM and iodinated AHA concentrations increase in the plant, particularly because of post-chlorination and passage of water through the contact basin. The iodinated THM concentrations then remain stable in the distribution network while those of the iodinated AHAs decrease. On the other hand, the removal of THMi is very effective after filtration of water on a BritaMD type household filter, with an average removal percentage of 100%.

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.

Pratique agricole répandue dans les champs sujets à l’accumulation d’eau en surface, le drainage souterrain améliore la productivité des cultures et réduit les risques de stagnation d’eau. La contribution significative du drainage sur les bilans d’eau à l’échelle de bassins versants, et sur les problèmes de contamination dus à l’épandage d’engrais et de fertilisant, a régulièrement été soulignée. Les écoulements d’eau souterraine associés au drainage étant souvent inconnus, leur représentation par modélisation numérique reste un défi majeur. Avant de considérer le transport d’espèces chimiques ou de sédiments, il est essentiel de simuler correctement les écoulements d’eau souterraine en milieu drainé. Dans cette perspective, le modèle HydroGeoSphere a été appliqué à deux bassins versants agricoles drainés du Danemark. Un modèle de référence a été développé à l’échelle d’une parcelle dans le bassin versant de Lillebæk pour tester une série de concepts de drainage dans une zone drainée de 3.5 ha. Le but était de définir une méthode de modélisation adaptée aux réseaux de drainage complexes à grande échelle. Les simulations ont indiqué qu’une simplification du réseau de drainage ou que l’utilisation d’un milieu équivalent sont donc des options appropriées pour éviter les maillages hautement discrétisés. Le calage des modèles reste cependant nécessaire. Afin de simuler les variations saisonnières des écoulements de drainage, un modèle a ensuite été créé à l’échelle du bassin versant de Fensholt, couvrant 6 km2 et comprenant deux réseaux de drainage complexes. Ces derniers ont été simplifiés en gardant les drains collecteurs principaux, comme suggéré par l’étude de Lillebæk. Un calage du modèle par rapport aux débits de drainage a été réalisé : les dynamiques d’écoulement ont été correctement simulées, avec une faible erreur de volumes cumulatifs drainés par rapport aux observations. Le cas de Fensholt a permis de valider les conclusions des tests de Lillebæk, ces résultats ouvrant des perspectives de modélisation du drainage lié à des questions de transport. / Tile drainage is a common agricultural management practice in plots prone to ponding issues. Drainage enhances crop productivity and reduces waterlogging risks. Studies over the last few decades have highlighted the significant contribution of subsurface drainage to catchments water balance and contamination issues related to manure or fertilizer application at the soil surface. Groundwater flow patterns associated with drainage are often unknown and their representation in numerical models, although powerful analysis tools, is still a major challenge. Before considering chemical species or sediment transport, an accurate water flow simulation is essential. The integrated fully-coupled hydrological HydroGeoSphere code was applied to two highly tile-drained agricultural catchments of Denmark (Lillebæk and Fensholt) in the present work. A first model was developed at the field scale from the Lillebæk catchment. A reference model was set and various drainage concepts and boundary conditions were tested in a 3.5 ha tile-drained area to find a suitable option in terms of model performance and computing time for larger scale modeling of complex drainage networks. Simulations suggested that a simplification of the geometry of the drainage network or using an equivalent-medium layer are suitable options for avoiding highly discretized meshes, but further model calibration is required. A catchment scale model was subsequently built in Fensholt, covering 6 km2 and including two complex drainage networks. The aim was to perform a year-round simulation accounting for variations in seasonal drainage flow. Both networks were simplified with the main collecting drains kept in the model, as suggested by the Lillebæk study. Calibration against hourly measured drainage discharge data was performed resulting in a good model performance. Drainage flow and flow dynamics were accurately simulated, with low cumulative error in drainage volume. The Fensholt case validated the Lillebæk test conclusions, allowing for further drainage modeling linked with transport issues.