Méthode simplifiée

Étant donné qu’une information temporelle est plus facile à interpréter pour les opérateurs d’usine de traitement qu’une distance en terme d’état de la contamination, les efforts d’estimation des temps disponibles pour réagir face à une contamination dans un bassin versant d’une prise d’eau potable sont pertinents. Comme il a été démontré, les temps de parcours en cours d’eau à débit permanent contribuent à la plus grande partie du temps disponible. Ils sont donc d’une importance majeure pour le développement de stratégies de protection des sources. Toutefois, l’évaluation de ce paramètre temporel requiert une expertise spécialisée et de données de bonne qualité, qui ne sont pas toujours disponibles. La modélisation du territoire pour obtenir les temps de parcours constitue un défi de taille d’autant plus pour les petites municipalités ayant moins de ressources. Une méthode simplifiée peut donc s’avérer utile pour l’estimation des temps de parcours.

Dans cette optique, les valeurs de vitesses du Tableau 4 ont été utilisées pour associer une vitesse aux cours d’eau à débit permanent des bassins versants étudiés par Flavie St-Pierre (Haut de la rivière des Hurons, rivière Nelson, rivière Jaune et bassin versant de la prise d’eau potable étudiée) à l’aide de la même méthode que pour l’estimation du temps de cheminement (selon la pente et la végétation). Ainsi, la longueur des cours d’eau à écoulement permanent est multipliée par une vitesse pour

modèle SWAT mais elles sont des paramètres facilement accessibles grâce à la disponibilité des cartes du territoire. Le Tableau 12 présente les longueurs et les temps obtenus pour chaque bassin versant étudié.

Tableau 12 : Longueurs de rivière associées à chaque bassin versant étudié et temps de parcours obtenu avec la méthode simplifiée

Bassin versant Longueur rivière _km Temps _h

Hurons 6,5 1,8

Nelson 23,6 6,6

Jaune 21,6 6,0

BV 39,7 11,0

Selon les vitesses observées dans les sous-bassins versants étudiés (Tableau 5) et les caractéristiques physiques de chacun d’eux (Tableau 6) , la vitesse de 1 m/s a été attribuée aux bassins versants du haut de la rivière des Hurons (très végétalisé et possède des pentes fortes) et de la rivière Nelson (plus urbanisé et possède une pente moyenne faible). Finalement, pour les bassins versant de la rivière Jaune et du bassin versant de la prise d’eau, étant donné que leur topographie présente des pentes fortes et un territoire végétalisé en amont ainsi que des pentes faibles et une occupation du sol plus urbanisée en aval, la vitesse d’écoulement qui leur a été associée est également de 1 m/s. En comparant les temps de parcours en cours d’eau à débit permanent obtenus avec la méthode simplifiée développée et la modélisation réalisée par Flavie St-Pierre, il est possible de conclure que les temps de parcours de la méthode simplifiée s’apparentent aux résultats pour les scénarios mensuels pluvieux. Les résultats sont présentés dans le Tableau 13.

Tableau 13 : Temps obtenus selon la méthode simplifiée développée et la modélisation réalisée par Flavie St- Pierre (scénarios mensuels) pour les bassins versants du haut de la rivière des Hurons, des rivières Nelson et

Jaune et du bassin versant de la prise d’eau potable Bassin versant

Temps (h)

Méthode simplifiée Mois sec Mois pluvieux Mois médian

Hurons 1,8 3 1,5 5

Nelson 6,6 16 7,5 27

Jaune 6,0 14,5 6 16

Pour tous les bassins versants, les temps de parcours obtenus avec la méthode simplifiée sont comparables aux temps modélisés avec un scénario mensuel pluvieux. Ainsi, la méthode simplifiée développée est un outil simple qui permet de déterminer les temps de parcours en cours d’eau à débit permanent pour des bassins versants ayant des pentes fortes et un territoire majoritairement végétalisé, comme le bassin du haut de la rivière des Hurons. Elle peut également s’appliquer à des bassins versants ayant une occupation du territoire diversifiée et des pentes variables comme ceux de la rivière Jaune et de la prise d’eau potable étudiée.

La méthode simplifiée ne considère pas les conditions hydrologiques contrairement à la modélisation. Cela explique pourquoi les résultats de la méthode simplifiée ne représentent pas ceux obtenus avec la modélisation des scénarios hebdomadaires. Effectivement, ces scénarios représentent plus des situations exceptionnelles et dans ces cas, la vitesse fixée doit être réajustée pour bien représenter le contexte. La méthode simplifiée permet une estimation facile et adéquate des temps de parcours en cours d’eau à débit permanent dans des contextes d’écoulement moyens, bien qu’elle ne considère pas les conditions hydrologiques. La méthode simplifiée est un outil pouvant donner des indications précieuses sur les temps disponibles pour réagir face à une contamination dans le bassin versant d’une prise d’eau potable dans des conditions moyennes (hydraulique et hydrologique).

Conclusions

Afin d’assurer une eau potable de qualité à la population, la stratégie de protection par barrières multiples est recommandée par plusieurs organismes reconnus comme l’OMS et le CCME. La protection des sources d’eau potable correspond à la première barrière permettant de réduire les risques de contamination de la source. Elle est devenue un enjeu de taille puisque les pressions environnementales s’amplifient constamment. Le développement d’activités anthropiques sur un territoire contribue à l’augmentation des risques de contamination des sources. Il contribue également à la diversification de la nature des contaminants potentiels. Dans une perspective d’intervention en cas de contamination, le temps disponible pour réagir est un paramètre d’intérêt permettant aux autorités de mettre en place des actions à poser pour assurer une qualité d’eau potable sans risques à la population.

En 2014, le gouvernement du Québec adopté le RPEP, qui exige la mise en place d’une démarche pour la protection des sources. Cette stratégie demande d’ériger des aires de protection basée sur des distances fixes en cours d’eau en amont de la prise d’eau et dans la rive. Toutefois, pour l’établissement des aires de protection, le RPEP ne tient pas compte des caractéristiques propres des bassins versants telles que la pente, l’occupation du territoire ni des temps de cheminement de l’eau. Il est ainsi possible de se demander si l’utilisation de distances fixes pour délimiter les aires de protection permet de prévoir de manière efficace le temps disponible pour réagir en cas d’évènements de contamination. Pour obtenir une estimation de ce temps de réponse, le temps de cheminement et le temps de parcours devraient-ils être considérés dans l’approche du RPEP? Ce projet a porté donc particulièrement sur le développement de méthodes de détermination des temps disponibles pour réagir en cas de contamination (temps de cheminement et temps de parcours en rivière).

L’objectif principal de ce projet de maîtrise était d’évaluer l’influence du cheminement de l’eau sur le temps disponible pour réagir lors d’une contamination dans le bassin versant d’une prise d’eau potable dans un contexte de protection des sources. Le premier sous-objectif était l’élaboration d’une méthodologie d’évaluation du temps disponible (temps de cheminement et temps de parcours en cours d’eau à débit permanent). Cela a été réalisé grâce à l’évaluation de cinq méthodes (quatre méthodes pour le temps de cheminement et une méthode pour le temps de parcours). Le deuxième sous-objectif était de comparer des méthodes de détermination du temps de cheminement (entre le moment où le

méthodes d’évaluation du cheminement ont été utilisées, soit des méthodes concernant les longueurs et d’autres permettant d’évaluer le temps de cheminement. Une comparaison des différentes méthodes a été réalisée en utilisant des propriétés à risque d’émettre un contaminant, sélectionnés dans le cadre d’un projet réalisé par Ariane Marais, dans le bassin versant de la prise d’eau potable dans la rivière Saint-Charles, dans la Ville de Québec.

En appliquant la méthodologie développée, 30 cheminements distincts ont été identifiés pour les 144 propriétés à risque d’émettre un contaminant. Les résultats ont montré que le cheminement représentant un ruissellement sur une surface imperméable, suivi de l’entrée de l’eau et des contaminants potentiels dans un réseau pluvial pour finalement être rejetés dans un cours d’eau à débit permanent est le plus répandu sur le territoire étudié; en effet il est associé à 35 % des propriétés analysées (50 propriétés). Les méthodes de longueurs à vol d’oiseau et selon le réseau de drainage ont été comparées; il a été possible d’observer qu’elles sont très différentes. Effectivement, 56 % des propriétés analysées sont associées à une longueur à vol d’oiseau de moins de 200 m tandis que selon les longueurs du réseau de drainage, seulement 22 % des propriétés sont associées à une longueur de moins de 200 m. La première méthode ne permet donc pas de représenter adéquatement les longueurs de cheminement selon le réseau de drainage.

Finalement, le troisième objectif spécifique était l’évaluation de la contribution du temps de cheminement par rapport au temps disponible. Pour ce faire, l’estimation du temps de cheminement a été réalisée avec les méthodes du TR-55 et selon le réseau de drainage, qui sont de niveaux de complexité différente. Les deux méthodes permettent d’obtenir des temps de cheminement comparables. Les temps de cheminements sont principalement situés entre 0 et 15 min pour les deux méthodes appliquées. Pour la méthode du TR-55 et selon le réseau de drainage, cela représente respectivement 58 % et 64 % des propriétés analysées. L’évaluation des temps de cheminement a ensuite été comparé aux temps de parcours en cours d’eau à débit permanent modélisés avec SWAT par Flavie St-Pierre. Les résultats obtenus ont permis de conclure que les temps de cheminement sont plus courts (0 à 90 minutes) que les temps de parcours en cours d’eau à débit permanent (minimum 6 heures) et donc qu’ils ne contribuent pas de manière importante au temps disponible. Ainsi, dans un contexte d’application du RPEP, il n’est pas pertinent de considérer les temps de cheminement. Toutefois, il pourrait être profitable d’aménager le territoire pour favoriser la mise en place de méthodes

efficaces de gestion de la qualité de l’eau pluviale en regroupant spatialement les propriétés à risque d’émettre des contaminants potentiels, par exemple avec le zonage.

Les principales incertitudes méthodologiques du projet concernent les contextes hydrologiques et hydrauliques, en particulier l’utilisation du débit à capacité maximale pour l’évaluation du temps de cheminement selon le réseau de drainage qui est comparé à la méthode du TR-55 qui utilise plutôt une pluie de durée 24 h pour une récurrence de 2 ans. De plus, l’hypothèse que les contaminants se déplacent sans se transformer, réagir ou sédimenter par exemple, est une supposition qui constitue une limite puisqu’en réalité, ces phénomènes sont probables.

Cependant, le choix de propriétés réelles ciblées en fonction de l’occupation du territoire incompatible avec une prise d’eau potable permet d’obtenir une étude de cas réaliste d’autant plus que celle-ci s’applique à un bassin versant d’une prise d’eau, soit celle de la Ville de Québec dans la rivière Saint- Charles. L’évaluation des cheminements en fonction du réseau de drainage en place contribue à l’importance de ces travaux puisque ce sont les cheminements probables des contaminants potentiels sur le territoire. Pour terminer, l’application de plusieurs méthodes d’évaluation des temps de cheminement correspond également à une force de ce projet.

Perspectives futures

De nombreuses possibilités d’application découlent de ce projet que ce soit pour valider la méthodologie appliquée ou encore pour l’améliorer. Cette section décrit les multiples aspects à considérer pour des projets futurs.

D’abord, comme il a été discuté dans ce mémoire, les contaminants potentiels sont de nature bien différentes en fonction de l’occupation du territoire. En effet, selon la nature du contaminant, celui-ci aura tendance à se transformer, à sédimenter ou à réagir dans l’eau par exemple. Étant donné que l’hypothèse que le temps de déplacement du contaminant est le même que celui de l’eau pluviale a été posée, il pourrait être d’autant plus intéressant d’évaluer dans des travaux futurs l’influence de la nature des contaminants sur leur transport dans le bassin versant pour l’analyse des temps disponibles. Dans ce cas, il serait nécessaire d’établir une liste des contaminants potentiels en fonction des occupations du territoire ciblées comme étant incompatibles avec une prise d’eau potable. La modélisation SWAT des temps de parcours pourrait considérer cet aspect.

Il serait également pertinent de réaliser une validation des temps de cheminement pour permettre la généralisation des résultats. L’application de la méthodologie proposée sur d’autres bassins versants ayant différentes caractéristiques (topographie, activités anthropiques, type de sol, superficie du bassin versant, etc.) que celles de la prise d’eau de la Ville de Québec dans la rivière Saint-Charles permettrait d’évaluer la possibilité d’étendre les conclusions du projet à d’autres territoires. Par exemple, une première hypothèse avancée est que les temps de cheminement dans un bassin versant très urbanisé sont plus courts que ceux dans un bassin versant rural en raison de la présence accrue de réseaux pluviaux.

Il pourrait également être utile d’évaluer les temps de cheminement pour d’autres propriétés localisées à différents endroits du bassin versant étudié, ce qui permettrait d’augmenter le nombre de sites et de et de diversifier les contextes géographiques évalués. Une mise à jour de l’information sur les conduites et les réseaux pluviaux en place contribuerait aussi à augmenter le nombre de propriétés analysées. Étant donné que l’équation utilisée pour l’évaluation du temps de cheminement en réseau pluvial s’applique seulement en situation de conduites pleines, l’élaboration d’une méthodologie pour évaluer

Cela permettrait d’évaluer l’influence du débit dans les conduites sur le temps de cheminement en fonction de la hauteur d’eau et du débit.

L’utilisation d’outils géomatiques tels que l’imagerie satellite pourrait améliorer la précision de certaines données comme les cheminements (en fonction de la topographie) ou encore l’occupation du territoire. Bien qu’ils permettent d’obtenir des informations de bonne résolution sur les terrains naturels (par exemple la topographie), ces outils ne permettent pas d’identifier la présence d’infrastructures de gestion des eaux pluviales.

Dans une optique d’amélioration et de validation de la démarche méthodologique proposée dans ce projet, des essais au traceur pourraient être menés dans le bassin versant de la prise d’eau potable à l’étude pour valider les estimations obtenues pour le temps disponible pour intervenir. Cette analyse serait davantage pertinente pour les propriétés les plus susceptibles d’émettre des contaminants. Dans l’éventualité de ces essais, il est nécessaire de considérer le contexte hydrologique puisqu’il influence immanquablement l’écoulement de l’eau et donc le parcours d’un contaminant dans l’aire d’alimentation. Plusieurs essais pourraient être réalisés dans des conditions de débits et de contextes hydrologiques différents pour avoir une gamme de temps. Les temps de parcours seraient ainsi également validés.

Les résultats présentés dans ce projet pourront aussi être utilisés pour la réalisation d’une analyse de sensibilité du modèle multicritère développé par A. Marais. L’impact de la précision du critère de distance entre la propriété et le cours d’eau à débit permanent sur le classement des propriétés à risque d’émettre une contamination contribuera à évaluer la pertinence de mettre des efforts pour bien estimer les temps de cheminement dans un contexte d’analyse multicritère.

Finalement, l’évaluation du parcours de l’eau permettrait une meilleure gestion des risques associés aux activités anthropiques puisqu’elle donne une information supplémentaire sur le temps disponible pour intervenir en cas de contamination. Ainsi, cette information contribuerait à l’amélioration de l’évaluation du risque de contamination des propriétés ciblées par A. Marais. Il est tout de même important de rappeler que cette évaluation des cheminements requiert des données précises ainsi qu’une expertise adéquate.

Bibliographie

Abell, R., Asquith, N., Boccaletti, G., Bremer, L., Chapin, E. et Erickson-Quiroz, A. (2017). Beyond the

source : The environmental, economic and community benefits of source water protection. The

Nature Conservancy. 234 pages. Arlington, VA, États-Unis. Repéré à

https://www.cbd.int/financial/2017docs/tnc-water-source.pdf

Akan, A. O. (1984). Kinematic-wave method for peak runoff estimates. Journal of Transportation

Engineering, 111(4), 419-425 p.

Akan, A. O. (1986). Time of concentration of overland flow. Journal of Irrigation and Drainage

Engineering, 112(4), 283-292 p.

APEL. (2014a). Diagnose du lac Saint-Charles 2012. 519 pages. Québec, Canada. Repéré à

APEL. (2014b). Guide d'introduction aux enjeux de la prise d'eau potable de la rivière Saint-Charles. Association pour la protection de l'environnement du lac Saint-Charles et des Marais du Nord (APEL). 12 pages. Québec, Canada. Repéré à http://www.apel- maraisdunord.org/apel/assets/APEL_Guide_enjeux_UTE_lowres.pdf

APEL. (2015). Suivi du lac Saint-Charles – Bilan des campagnes 2011 à 2013. 138 pages. Québec. Repéré à http://www.apel-maraisdunord.org/apel/assets/APEL_Suivi_LSC_2011- 2013_vFINALE.pdf

APEL. (2017). Faire autrement pour une protection des milieux naturels et des ressources en eau. 132

pages. Repéré à http://apel-

maraisdunord.org/apel/assets/Developper_protection_milieux_naturels_eau_APEL- 201702.pdf

APEL. (2019a). Diagnose du lac Saint-Charles – 2016. Association pour la protection de l’environnement du lac Saint-Charles et des Marais du Nord,. 377 pages. Québec, Canada. Repéré à http://www.apel-maraisdunord.org/apel/2019/publication-de-la-diagnose-2016/

APEL. (2019b). Lac Saint-Charles. Repéré à https://www.apel-maraisdunord.org/apel/territoire/lac- saint-charles/

APEL. (2019c). Petits affluents du lac Saint-Charles. Repéré à https://www.apel- maraisdunord.org/apel/territoire/petits-affluents-du-lac-saint-charles/

Arnold, J. G., Kiniry, J. R., Srinivasan, R., Williams, J. R., Haney, E. B. et Neitsch, S. L. (2012). Soil

Water Assessment Tool : Input/output documentation. Texas Water Resources Institute.

pages. Repéré à https://swat.tamu.edu/media/69296/swat-io-documentation-2012.pdf

Basnyat, P., Teeter, L. D., Flynn, K. M. et Lockaby, B. G. (1999). Relationships between landscape characteristics and nonpoint source pollution inputs to coastal estuaries. Environmental

Management, 23(4), 539-549 p.

Biswas, A. K. (2001). Water policies in the developing world. International Journal of Water Resources

Development, 17(4), 489-499 p.

Boulé, V., Vallières, C., Jobin, P., Sauvageau, C., Trudeau, V. et Pagé, N. (2014). État de la situation

du bassin versant de la prise d'eau de la rivière Saint-Charles. Communauté métropolitaine de

Québec. 100 pages. Québec, Canada. Repéré à https://cmquebec.qc.ca/wp- content/uploads/2018/11/rapportroche-2014compresse.pdf

Brière, F. G. (2012). Distribution et collecte des eaux (Troisième éd.). Québec, Canada: Presses Internationales Polytechnique, 575 pages.

Brodeur, C., Lewis, F., Huet-Alegre, E., Ksouri, Y., Leclerc, M.-C. et Viens, D. (2009). L'eau ça vous

rivière Saint-Charles. pages. Québec, Canada. Repéré à

http://www.obvcapitale.org/pdf/Portrait_Juin_2009.pdf

Buchanan, B. P., Archibald, J. A., Easton, Z. M., Shaw, S. B., Schneider, R. L. et Walter, M. T. (2013). A phosphorus index that combines critical source areas and transport pathways using a travel time approach. Journal of Hydrology, 486, 123-135 p.

Burcher, C. L. (2009). Using simplified watershed hydrology to define spatially explicit «zones of influence». Hydrobiologia, 618, 149-160 p.

Butler, D., Digman, C., Makropoulos, C. et Davies, J. W. (2018). Urban drainage (4th Edition éd.). États-Unis: Boca Raton : Taylor & Francis, CRC Press, 545 pages.

CBRSC. (2009). L'eau, Ça vous concerne aussi : Portrait du bassin de la rivière Saint-Charles 2e

édition. 350 pages. Québec, Canada. Repéré à

http://www.obvcapitale.org/pdf/Portrait_Juin_2009.pdf

CCME et CEP. (2004). De la source au robinet : Guide d’application de l’approche à barrières multiples

pour une eau potable saine. (PN 1335). 274 pages. Repéré à

https://www.ccme.ca/files/Resources/fr_water/fr_source_to_tap/mba_guidance_doc_f.pdf. Clausen, J. C., Guillard, K., Sigmund, C. M. et Dors, K. M. (2000). Water quality changes from riparian

buffer restoration in Connecticut. Journal of Environmental Quality, 29, 1751 -1761 p. CMQ. (2014). Plan d'action 2014 pour la mise en oeuvre des recommandations - État de la situation

du bassin versant de la prise d'eau de la rivière Saint-Charles (056692.002-100). 100 pages.

Québec, Canada. Repéré à https://cmquebec.qc.ca/wp-

content/uploads/2018/11/rapportroche-2014compresse.pdf

CMQ. (2019). Entrée en vigueur du règlement de contrôle intérimaire (RCI) n°2019-91. Repéré à

https://cmquebec.qc.ca/actualites/entree-en-vigueur-du-reglement-de-controle-interimaire-rci- n2019-91/

Daily, G. C. et Ellison, K. (2002). The new economy of nature : the quest to make conservation

profitable. Washington, D.C.: Island Press, 260 pages.

Delaware Department of Natural Resources. (1997). Conservation design for stormwater management

- A design approach to reduce stormwater impacts from land development and achieve multiple objectives related to land use. 228 pages. Delaware, United States of America. Repéré