IMPACTS DES STRATÉGIES D’ÉCONOMIE D’EAU
POTABLE SUR LA CHLORATION SECONDAIRE
DE RÉSEAUX MUNICIPAUX DU QUÉBEC
Mémoire
JOHN MCGRATH
Maîtrise en génie des eaux
Maître ès sciences (M.Sc.)
Québec, Canada
iii
Résumé
Ce mémoire porte sur les impacts des stratégies d’économies d’eau potable sur la chloration secondaire de réseaux de distribution d’eau potable (RDEP) à l’échelle municipale. Il présente également une méthodologie pour l’élaboration d’un modèle de prédiction des concentrations de chlore résiduel libre (CCRL) en réseau selon les différentes cinétiques de dégradation. Ce type de modèle permet aux gestionnaires de réseaux de réduire davantage les zones vulnérables en cas de contamination microbiologique de l’eau par un meilleur contrôle sur les CCRL. Une campagne d'échantillonnage sur le terrain a tout d’abord été mené pour mesurer les CCRL d’un RDEP. Les résultats de cette campagne ont permis le calage d’un modèle hydraulique et le calage de modèles cinétiques de dégradation du chlore résiduel libre. Ces modèles ont été jumelés afin d’obtenir un modèle prédictif des CCRL dans lequel la dégradation du chlore a été simulée avec des constantes cinétiques prédéterminées. Le modèle obtenu est utilisé pour simuler les CCRL de différents scénarios de répartition des débits. Ces scénarios correspondent à l’évolution des consommations d’eau de 2011 à 2016. Cette méthodologie a été testée sur trois RDEP du Québec (Canada) avec des populations desservies de 6 900 à 18 700 habitants. Pour ces études de cas, l’augmentation des temps de séjour, reliée à la réduction des débits, a produit une réduction des CCRL en réseau. Pour remédier à la situation, une augmentation de la CCRL à l’entrée des RDEP de 7% à 13% a été requise afin d’obtenir des CCRL similaires en 2016 par rapport à 2011. Cette augmentation pourrait aller jusqu’à 18% avec l’atteinte d’un scénario de gestion optimale de la consommation en eau. Les résultats ont validé la méthodologie développée en lien avec les objectifs visés démontrant ainsi les impacts de la réduction des débits sur la variabilité spatio-temporelle de la CCRL de RDEP à l’échelle municipale.
iv
Abstract
The main objective of this study is to investigate the impacts of drinking water conservation strategies on residual chlorine in a water distribution system (WDS) at the municipal scale. This study was designed to develop a methodology to predict free residual chlorine (FRC) according to its decay rates in WDS through microbiological and chemical reactions in the bulk phase and at the pipe wall. This prediction can be useful for operators, managers and engineers to reduce microbiological risks in vulnerable areas of a WDS. To achieve this objective, a sampling campaign was conducted to evaluate FRCs. A hydraulic model was then calibrated by adjusting the chlorine wall reaction coefficients to give the best fit between predicted and observed field measurements. A predictive model of FRC in which chlorine decay was simulated with a first-order chlorine residual decay for both bulk and pipe wall reactions. The model enables the simulation of FRCs for different flow distribution scenarios. These scenarios represent the evolution of water consumption from 2011 to 2016. This methodology was tested on three main WDSs in Québec (Canada) with populations ranging from 6 900 to 18 700 people. For these case studies, a decrease of FRC was observed related to the increase in the mean residence time due to the flow reduction. Results show that an increase in initial FRC ranging from 7% to 13% is required to obtain similar FRCs in 2016 compared to 2011. The results also highlight the impacts of flow reduction on FRC’s spatial and temporal variability through a WDS.
v
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des tableaux ... vii
Liste des figures ... ix
Liste des abréviations ... xii
Remerciements ... xiv 1. Introduction ... 1 1.1 Mise en contexte ... 1 1.2 Problématique ... 3 1.3 Objectifs de l’étude ... 4 1.4 Structure du mémoire ... 5
2. État des connaissances ... 6
2.1 Caractéristiques physiques et hydrauliques des RDEP ... 6
2.2 Dégradation du chlore libre dans un RDEP ... 8
3. Méthodologie ... 16
3.1 Choix et description des études de cas ... 17
3.1.1 Pintendre ... 19
3.1.2 Saint-Jean-Chrysostome ... 22
3.1.3 Saint-Augustin-de-Desmaures ... 25
3.2 Modélisation hydraulique et de dégradation du chlore résiduel libre ... 29
3.3 Campagne d’échantillonnage et d’analyse dans les RDEP ... 34
3.4 Détermination expérimentale de la constante cinétique de dégradation du chlore résiduel libre au cœur de l’écoulement ... 38
3.5 Estimation des constantes cinétiques de dégradation du chlore résiduel libre aux parois des conduites ... 39
4. Résultats et discussion ... 43
4.1 Répartition des débits pour les 3 réseaux à l’étude ... 43
4.2 Résultats de la collecte de données ... 45
4.2.1 Collecte de données à l’UTE, au réservoir et dans le RDEP ... 45
vi
4.3 Constante de la cinétique de dégradation du chlore résiduel libre au cœur de
l’écoulement ... 54
4.4 Constantes de la cinétique de dégradation du chlore résiduel libre aux parois des conduites ... 56
4.5 Résultats des simulations pour les différents scénarios ... 62
5. Conclusion et recommandations ... 70
Références bibliographiques... 72
Annexe A ... 76
Informations pour la méthodologie ... 76
Annexe B ... 79
Données pour le calage des modèles de prédiction des CCRL ... 79
Annexe C ... 91
vii
Liste des tableaux
Tableau 1 - Constantes de cinétique kb (1ier ordre) ... 13
Tableau 2 - Constantes de cinétique kw ... 14
Tableau 3 - Classes de population ... 17
Tableau 4 - Caractéristiques du RDEP de Pintendre ... 22
Tableau 5 - Caractéristiques du RDEP de Saint-Jean-Chrysostome ... 25
Tableau 6 - Caractéristiques du RDEP de Saint-Augustin-de-Desmaures ... 28
Tableau 7 - Année, population, débit per capita et pourcentage de fuite des différents scénarios ... 33
Tableau 8 - Intervalles de temps pour la mesure des CCRL ... 39
Tableau 9 - Répartition des débits pour les différents scénarios ... 43
Tableau 10 - Paramètres physico-chimique de l'eau pour les différentes études de cas ... 45
Tableau 11 - Constantes de la cinétique de dégradation du chlore au cœur de l'écoulement ... 56
Tableau 12 - Catégories de conduite pour les constantes de la cinétique de dégradation aux parois ... 57
Tableau 13 - Tri des sites d'échantillonnage pour le calage des modèles de cinétique de dégradation du CRL ... 57
Tableau 14 – Résultats des calculs des constantes cinétiques de dégradation du chlore des RDEP ... 59
Tableau 15 - Bilan des impacts de la SEEP sur la CCRL en RDEP ... 68
Tableau 16 - Variation de la C0 (mg/L) requise à l'entrée des RDEP entre les différents scénarios ... 68
Tableau A1 - Coefficients d'Hazen-Williams selon le matériau des conduites ... 76
Tableau B2.1 - CCRL, CCRT et Températures mesurées à Pintendre le 8 juin 2016 ... 85
Tableau B2.2 - CCRL, CCRT et Températures mesurées à Saint-Jean-Chrysostome le 16 juin 2016 ... 86
Tableau B2.3 - CCRL, CCRT et Températures mesurées à Saint-Augustin-de-Desmaures le 26 mai 2016 ... 87
viii
Tableau B3.1 - CCRL et CCRT mesurées avec l'eau du réservoir de Pintendre pour 3 jours à 3 températures ... 89 Tableau B3.2 - CCRL et CCRT mesurées avec l'eau du réservoir de St-Jean-C. pour 3 jours à 3 températures ... 89 Tableau B3.3 - CCRL et CCRT mesurées avec l'eau du réservoir de St-Augustin pour 3 jours à 3 températures ... 90
ix
Liste des figures
Figure 1 - Quantité d’eau distribuée par personne par jour au Québec 2001-2015... 1
Figure 2 - Modes d'approvisionnement en eau au Québec ... 9
Figure 3 - Dégradation du chlore résiduel libre ... 11
Figure 4 - Schéma conceptuel de la méthodologie ... 16
Figure 5 – Nombre de personnes desservies par les RDEP du Québec selon la provenance de l'eau ... 18
Figure 6 - Occupation du territoire et répartition des débits à Pintendre ... 20
Figure 7 – Plan des conduites du RDEP de Pintendre ... 21
Figure 8 - Occupation du territoire et répartition des débits à Saint-Jean-Chrysostome ... 23
Figure 9 - Plan des conduites du RDEP de Saint-Jean-Chrysostome ... 24
Figure 10 - Occupation du territoire à Saint-Augustin-de-Desmaures ... 26
Figure 11 – Plan des conduites du RDEP de Saint-Augustin-de-Desmaures ... 27
Figure 12 - Quantité d’eau moyenne distribuée par personne par jour 2011-2016 ... 32
Figure 13 - Exemple de chemins hydrauliques de l'eau en RDEP ... 41
Figure 14 - Débit (L/s) à la sortie du réservoir de Saint-Jean-Chrysostome le 16 juin 201647 Figure 15 - Débit (m3/h) à la sortie du réservoir de Saint-Augustin-de-Desmaures le 26 mai 2016 ... 47
Figure 16 - Volume d’eau distribué au réservoir de Pintendre en 2016 ... 48
Figure 17 - Volume d’eau distribué au réservoir de Saint-Jean-Chrysostome en 2016 ... 48
Figure 18 - Volume d’eau distribué au réservoir de Saint-Augustin-de-Desmaures en 2016 ... 49
Figure 19 - Températures de l’eau mesurées sur le terrain lors des campagnes d’échantillonnage de 2016 ... 50
Figure 20 - CCRL mesurées sur le terrain à Pintendre le 8 juin 2016 ... 51
Figure 21 - CCRL mesurées sur le terrain à Saint-Jean-Chrysostome le 16 juin 2016 ... 52
Figure 22 - CCRL mesurées sur le terrain à Saint-Augustin-de-Desmaures le 26 mai 2016 ... 53
x
Figure 24 - Mesures de CCRL de l’eau de Saint-Jean-Chrysostome pour 3 journées à 3
températures... 55
Figure 25 - Mesures de CCRL de l’eau de Saint-Augustin-de-Desmaures pour 3 journées à 3 températures... 55
Figure 26 - CCRLMESURÉES et CCRLCALCULÉES pour le RDEP de Pintendre ... 58
Figure 27 - CCRLMESURÉES et CCRLCALCULÉES pour le RDEP de Saint-Jean-Chrysostome 58 Figure 28 - CCRLMESURÉES et CCRLCALCULÉES pour le RDEP de Saint-Augustin-de-Desmaures ... 59
Figure 29 - CCRLMESURÉES et CCRLSIMULÉES pour le RDEP de Pintendre ... 60
Figure 30 - CCRLMESURÉES et CCRLSIMULÉES pour le RDEP de Saint-Jean-Chrysostome .. 61
Figure 31 - CCRLMESURÉES et CCRLSIMULÉES pour le RDEP de Saint-Augustin-de-Desmaures ... 61
Figure 32 - Exemples de zones vulnérables pour différents RDEP ... 62
Figure 33 - Variation des TDS 2011-2016 à Pintendre pour a) scénario de référence et b) gestion optimale ... 63
Figure 34 - Variation des CCRL 2011-2016 à Pintendre pour a) scénario de référence et b) gestion optimale ... 64
Figure 35 - Variation des TDS 2011-2016 à St-Jean-C. pour a) scénario de référence et b) gestion optimale ... 65
Figure 36 - Variation des CCRL 2011-2016 à St-Jean-C. pour a) scénario de référence et b) gestion optimale ... 65
Figure 37 - Variation des TDS à St-Augustin entre les scénarios de référence et de gestion optimale ... 66
Figure 38 - Variation des CCRL à St-Augustin entre les scénarios de référence et de gestion optimale ... 67
Figure B1.1 - pH à l'UTE Desjardins en 2016 ... 80
Figure B1.2 - Turbidité à l'UTE Desjardins en 2016 ... 80
Figure B1.3 - CCRL à la sortie de l'UTE Desjardins en 2016 ... 81
Figure B1.4 - pH à l'UTE de Saint-Romuald en 2016 ... 81
Figure B1.5 - Turbidité à l'UTE de Saint-Romuald en 2016 ... 82
xi
Figure B1.7 - pH à l'UTE de Sainte-Foy en 2016 ... 83
Figure B1.8 - Turbidité à l'UTE de Sainte-Foy en 2016 ... 83
Figure B1.9 - CCRL à l'UTE de Sainte-Foy en 2016 ... 84
Figure B1.10 - CCRL au réservoir de Saint-Augustin-de-Desmaures en 2016 ... 84
Figure C1.1 - TDS simulés à partir du réservoir de Pintendre pour chaque scénario a) Comparaison « 2011 » b) Référence « 2016 » c) Gestion optimale ... 92
Figure C1.2 - TDS simulés à partir du réservoir de Saint-Jean-Chrysostome pour chaque scénario a) Comparaison « 2011 » b) Référence « 2016 » c) Gestion optimale ... 93
Figure C1.3a - TDS simulés à partir du réservoir de Saint-Augustin-de-Desmaures pour le scénario de référence « 2016 » ... 94
Figure C1.3b - TDS simulés à partir du réservoir de Saint-Augustin-de-Desmaures pour le scénario de gestion optimale... 94
Figure C2.1 - CCRL à Pintendre pour chaque scénario a) Comparaison « 2011 » b) Référence « 2016 » c) Gestion optimale ... 95
Figure C2.2 - CCRL à Saint-Jean-Chrysostome pour chaque scénario a) Comparaison « 2011 » b) Référence « 2016 » c) Gestion optimale 96 Figure C2.3a - CCRL à Saint-Augustin-de-Desmaures pour le scénario de référence « 2016 » ... 97
Figure C2.3b - CCRL à Saint-Augustin-de-Desmaures pour le scénario de Gestion optimale ... 97
xii
Liste des abréviations
CCRL : Concentration en chlore résiduel libre
CCRT : Concentration en chlore résiduel total
CRL : Chlore résiduel libre
COT : Carbone organique total
ICI : Institutions, commerces et industries
MAMOT : Ministère des affaires municipales et occupation du territoire MON : Matière organique naturelle
PE : Polyéthylène
PEHD : Polyéthylène haute densité
PVC : Polyvinyle de chlorure
RDEP : Réseau municipal de distribution d’eau potable RQEP : Règlement sur la qualité de l’eau potable SEEP : Stratégie d’économie d’eau potable TDS : Temps de séjour
xiii
À mes sœurs Dina et Ketsia, À mes parents Carole et Jean.
« Si vous traitez un individu comme il est, il restera ce qu'il est. Mais si vous le traitez comme s’il était ce qu'il doit et peut devenir, alors il deviendra ce qu'il doit et peut être. » Johann Wolfgang Von Goethe
xiv
Remerciements
« Quand on ne demande jamais conseil, les projets échouent. Mais avec beaucoup de conseillers, ils réussissent. » Proverbes 15 : 22
Je remercie du fond du cœur ma directrice de recherche, Geneviève Pelletier, qui a cru en moi dès le début et qui m’a donné son support tout au long du parcours. Le rôle qu’elle a joué en me prodiguant ses conseils est incontestablement précieux. J’ai également eu le privilège d’être encadré par Christian Bouchard, un co-directeur hors-pair. Son expertise, sa rigueur et sa passion ont largement contribué à la qualité de ce travail. Bonne retraite ! Mes plus sincères remerciements à Alexandre Leblond, Marie-Gabrielle Tétreault et Philippe Théberge, qui ont participé à la réalisation de cette étude tout en y apportant leur touche personnelle. Votre implication a été indispensable et je vous en remercie.
J’exprime ma gratitude à Manuel Rodriguez, directeur de la Chaire de recherche industrielle – Gestion et surveillance de la qualité de l’eau potable du CRSNG, pour l’encadrement et le support financier. Je remercie aussi Francine Baril et Christelle Legay. Je remercie les personnes ressources à la Ville de Lévis dont Jacqueline Bélanger et Yves Chouinard pour avoir toujours répondu à mes nombreuses demandes d’informations.
De la même façon, je tiens à remercier les collaborateurs à la Ville de Québec dont messieurs Frédéric Aubin, François Proulx, Éric Rozon et madame Christine Beaulieu. Je remercie très sincèrement Natalie Periche, directrice chez AquaDATA, pour nous avoir offert une licence du logiciel AquaGeo®. À cet effet, je souligne le support technique de Jean-Carl Gionet de même que le soutien et l’enthousiasme de Martine Lavallée.
Je suis redevable à Sabrina Simard, du laboratoire d’environnement de l’Université Laval, pour son soutien essentiel au succès des campagnes d’échantillonnage sur le terrain.
J’adresse un merci particulier à mon ami Simon Rochette pour ses avis éclairés. Sa thèse a initié mon projet de recherche et fut une précieuse source d’information.
1
1. Introduction
« Chaque génération se sent la vocation de refaire le monde. La nôtre est différente : Nous devons veiller à ce qu’il ne se défasse pas. » Albert Camus
1.1 Mise en contexte
Un comité de travail, créé en 2005 par le Ministère des Affaires Municipales et Occupation du Territoire (MAMOT), a produit un rapport sur des mesures à mettre en place dans le cadre d’une Stratégie québécoise d’économie d’eau potable (SEEP), et cela, pour donner suite à l’engagement 49 de la Politique nationale de l’eau (MDDELCC, 2002). Cette stratégie, mise en place en 2011, s’inscrit dans le contexte mondial du resserrement des politiques relatives à l’eau, dans une perspective de gestion intégrée et de préservation de cette ressource (MAMOT, 2011). Avec la consommation per capita la plus élevée au Canada, les Québécois sont parmi les plus grands consommateurs d’eau au monde étant donné le nombre important d’industries qui s’y installent pour bénéficier de la disponibilité de cette ressource. Afin de renverser cette tendance, des mesures de conservation et d’utilisation efficace de la ressource sont appliquées. Des efforts concrets sont déployés en ce sens tant par les industries que les municipalités. La Figure 1 illustre l’évolution de la consommation per capita au Québec de 2001 à 2015 (MAMOT, 2017).
777 620 612 596 589 573 0 100 200 300 400 500 600 700 800 2001 2011 2012 2013 2014 2015 L /( pers./j ) Année
Objectif SEEP 2016: 622 L/(pers./j)
2
Au moment de la détermination des objectifs de la SEEP, la consommation moyenne d’eau par personne utilisée est celle de 2001, soit 777 L/pers.*jour (MAMOT, 2011). De cette valeur, la SEEP visait une réduction d’au moins 20% pour atteindre 622 L/pers.*jour pour l’ensemble du Québec en 2016 (MAMOT, 2011). Cet objectif a été atteint dès la mise en place de la SEEP et la réduction des débits se poursuit, tel qu’en témoigne la consommation per capita qui était de 573 L/pers.*jour en date du plus récent rapport sur l’usage de l’eau (MAMOT, 2017). Les autres objectifs principaux sont la réduction des fuites à un maximum de 15 m3/j par kilomètre de conduite et la réduction des pertes d’eau par fuites à un maximum de 20% du volume total d’eau produit.
Depuis 2011, les municipalités du Québec doivent produire un état de la situation et un plan d’action qui inclut une liste de mesures d’économie d’eau et l’adoption d’une réglementation sur l’eau potable. Le MAMOT demande aussi la production d’un bilan de l’usage de l’eau, la mesure de l’eau distribuée et, si nécessaire, la mise en place d’un programme de détection et de réparation des fuites. De plus, il est demandé aux gestionnaires de réseaux de distribution d’eau potable (RDEP) de présenter un rapport annuel sur la gestion de l’eau à leur conseil municipal et, si les objectifs ne sont pas atteints, il faut alors envisager d’installer des compteurs d’eau dans les secteurs non résidentiels et d’introduire une tarification adéquate.
Afin d’atteindre les objectifs de la SEEP, les municipalités mettent en place une série de mesures. Tout d’abord, l’adoption d’une réglementation sur l’utilisation de l’eau potable permet de sensibiliser, avertir et donner des constats d’infractions en cas de gaspillage. Pour les travaux d’entretien municipaux ne nécessitant pas d’eau potable, des points d’alimentation d’eau brute sont installés. Au niveau des installations municipales, la mise en place et l’entretien des aménagements paysagers sont effectués selon de bonnes pratiques limitant le gaspillage de l’eau. Respectant ce même objectif, l’usage de l’eau pour les piscines et les jeux d’eaux est optimisé. Quant aux infrastructures et bâtiments municipaux, les accessoires et équipements consommant l’eau sont remplacés par des équipements à faible consommation et les systèmes de climatisation et de réfrigération à l’eau potable sont éliminés.
3
Les services de traitement et de distribution d’eau sont aussi optimisés en ajustant les pressions à l’usine de traitement d’eau (UTE) et sur tout le réseau à l’aide de régulateurs de pression. Ceci permet de diminuer le stress sur les conduites et les joints pour prolonger la durée de vie du réseau. Enfin, les programmes de sensibilisation permettent de motiver les usagers à diminuer leur consommation. Pour ce faire, des visites à domicile par des agents de sensibilisation, des événements publics et des interventions éducatives sont effectués. Le gouvernement provincial participe aussi à la SEEP. Il adopte des réglementations et politiques d’économie d’eau pour les municipalités ainsi que pour les infrastructures de santé, scolaires et gouvernementales. Il réalise également un bilan d’eau pour évaluer les performances du RDEP par l’enregistrement des données et par la vérification des instruments de mesure de l’eau distribuée. Le gouvernement met aussi en place un plan d’action d’économie d’eau et un programme de réparation de fuites lorsque les performances d’un réseau sont insuffisantes. Pour le MAMOT, une clause d’écoconditionnalité des programmes d’aide financière des projets d’infrastructures en eau et une équipe de soutien technique accompagnent les municipalités pour la mise en place des démarches d’économie d’eau. Le Code de la construction a aussi été révisé afin d’interdire l’installation d’équipements surconsommant l’eau tel que les systèmes de climatisation à l’eau potable. De plus, l’Enquête sur les UTE de Statistique Canada est intégrée dans le formulaire de l’usage de l’eau potable pour alléger la tâche des municipalités. Enfin, des trousses pédagogiques d’économies d’eau sont distribuées dans les écoles et aux citoyens dans le cadre du programme d’économie d’eau potable (PEEP).
1.2 Problématique
En réduisant significativement la demande en eau, pour donner suite aux actions concertées d’économie d’eau potable des paliers de gouvernement, le débit Q [L3
/T] dans les RDEP diminue pour une longueur L de conduite donnée. Et cela, sans tenir compte de la section d’écoulement d’une conduite A [L2
] qui peut varier à la hausse à la suite d’une réhabilitation de conduite ou à la baisse en raison du développement des tubercules et du biofilm à la surface des conduites. C’est ainsi que la vitesse d’écoulement V [L2/T] est réduite et que le temps de séjour (TDS) t de l’eau augmente, affectant potentiellement la qualité chimique et microbiologique de celle-ci.
4
Si, 𝑄 ↓
𝐴 = 𝑉 ↓ (3.1)
Ainsi, 𝐿
𝑉 ↓ = 𝑡 ↑ (3.2)
Pour maintenir une bonne désinfection secondaire en réseau, c’est-à-dire pour maintenir des concentrations en désinfectant résiduel à des niveaux suffisants, il faut a priori augmenter la dose de désinfectant à la suite d’une augmentation du TDS. Et cela en raison de la dégradation du désinfectant qui augmente d’autant plus que le TDS de l’eau dans les conduites du réseau est grand. Réduire la consommation d’eau peut donc entraîner une modification de la pratique de désinfection secondaire qui, à son tour, peut modifier la formation de sous-produits de désinfection et de goûts et odeurs, par exemple. À notre connaissance, aucune étude n’a abordé le sujet jusqu’à présent.
1.3 Objectifs de l’étude
Ce mémoire s’inscrit dans le cadre des travaux de la Chaire de recherche industrielle – Gestion et surveillance de la qualité de l’eau potable du Conseil de Recherches en Sciences Naturelles et en Génie du Canada (CRSNG), associée au Centre de Recherche en Aménagement du territoire et Développement régional de l'Université Laval (CRAD). Voici les hypothèses générales qui sont posées :
La réduction de la demande en eau dans un RDEP, à l’échelle municipale, engendre une augmentation des TDS ;
L’augmentation des TDS a un impact sur les concentrations de chlore résiduel libre (CCRL) en RDEP qui influence la pratique de désinfection secondaire.
L’objectif principal de cette étude est d’anticiper les impacts des économies d’eau sur la désinfection secondaire dans un RDEP. Et puisque le chlore est de loin le désinfectant secondaire le plus utilisé au Québec, l’étude porte sur les impacts de la réduction des débits sur la pratique de la chloration secondaire des RDEP au Québec. Afin de ne pas nuire aux efforts d’économie d’eau potable, il est important de proposer des outils pour réduire ces effets s’ils s’avèrent négatifs et significatifs. C’est dans cette optique qu’une méthodologie de prédiction de la dégradation du chlore résiduel libre (CRL) en RDEP est développée.
5
1.4 Structure du mémoire
Le mémoire débute par une revue de littérature qui couvre les éléments de la méthodologie. Les RDEP y sont brièvement décrits dans le contexte actuel du Québec en termes d’exploitation, de gestion et de réglementation. Les principes fondamentaux entourant la désinfection secondaire au chlore sont également présentés pour bien comprendre son utilité en lien avec le suivi de la qualité de l’eau en réseau.
Par la suite, le choix des études de cas est présenté. Ces cas réels permettent de tester les hypothèses et de répondre aux objectifs de l’étude. La méthodologie décrit les étapes de la modélisation hydraulique et le développement des modèles de la cinétique de dégradation du CRL. Les équations des cinétiques y sont soigneusement expliquées pour en comprendre l’utilité et les limites.
Les résultats obtenus, par l’application de la méthodologie à ces études de cas, sont ensuite présentés afin de faciliter la compréhension et l’interprétation des démarches proposées. La validité des hypothèses de départ est alors analysée. Finalement, les limites et la portée des conclusions sont clairement indiquées et des recommandations sont proposées pour les gestionnaires de RDEP voulant appliquer la méthodologie développée dans cette étude. Des annexes sont présentées à la fin du mémoire en soutien à la méthodologie développée et aux résultats présentés. Ces annexes incluent les tableaux des données recueillies sur le terrain lors des campagnes d’échantillonnage effectuées en mai et juin 2016 et en mai et juin 2017. Elles incluent également une appréciation visuelle des résultats des simulations hydrauliques associés aux différents scénarios des études de cas.
6
2. État des connaissances
« Dans la vie, rien n'est à craindre, tout est à comprendre. »
Marie Curie
Dans ce chapitre, les RDEP, la modélisation hydraulique de ceux-ci, la désinfection au chlore et les mécanismes régissant sa dégradation en réseau sont abordés. La variabilité spatio-temporelle des CCRL dans les RDEP a fait l’objet de plusieurs études dans le passé. Toutefois, du point de vue des modèles de prédictions des CCRL, peu d’informations sont présentés dans la littérature scientifique en ce qui a trait à l’utilisation de données de terrain pour appuyer ces modèles. Et lorsque c’est le cas, ces études sont souvent limitées quant au nombre de points de prélèvements et quant à la complexité du réseau analysé. La revue de littérature de ce mémoire vise donc à présenter tous les éléments connus qui permettront d’améliorer les qualités prédictives de ces modèles.
2.1 Caractéristiques physiques et hydrauliques des RDEP
En première analyse, les infrastructures physiques pour l'approvisionnement en eau sont brièvement exposées et l’usage des modèles hydrauliques est ensuite abordé. Plus spécifiquement, au niveau des simulations du TDS et du suivi de la qualité de l’eau.
Caractéristiques physiques
Le transport de l'eau potable à partir de l’UTE jusqu’aux robinets des consommateurs est possible grâce au système complexe que sont les RDEP. Ceux-ci sont principalement constitués de conduites, pompes, raccords, réservoirs, vannes et multiples autres accessoires hydrauliques. Les RDEP au Québec couvrent près de 40 000 kilomètres de conduites (MAMOT, 2017).
Jusqu’en 1950-1960, la fonte grise était principalement utilisée pour les canalisations des RDEP. La fonte ductile et les matières plastiques, essentiellement le polychlorure de vinyle (PVC) et le polyéthylène (PE), se sont ajoutés progressivement à partir de la décennie 1960. Maintenant, ils sont les matériaux les plus couramment utilisés autant pour la réfection des réseaux que pour la construction des nouveaux réseaux. Le ciment-amiante a également été utilisé de 1950 à 1985. La fonte grise et l’acier présentent l’avantage d’une bonne
7
résistance mécanique, mais sont sensibles aux phénomènes de corrosion interne. Avec les années, la paroi interne de ces vieilles conduites se recouvre de tubercules de corrosion, principalement constitués d’oxyde de fer communément appelé de la rouille. Cette formation de rouille est à l’origine des phénomènes d’eau rouge qui surviennent lorsque ces dépôts sont entraînés dans l’eau par les variations brusques de débit suivant des périodes de stagnation prolongée. Ces événements peuvent aussi survenir lors du changement de la composition chimique de l’eau tel qu’une augmentation de la CCRL. De plus, la capacité de transport des conduites est directement affectée par les dépôts accumulés qui réduisent la section d’écoulement et en augmentent la rugosité.
En ce qui concerne le PVC, il a connu un fort développement à partir de 1960 et il est encore aujourd’hui le matériau le plus utilisé. Toutefois, la première génération de PVC, jusqu’en 1975, présente des problèmes de fragilité à l’origine des fuites au niveau des joints collés. L’amélioration des systèmes de raccordement et des procédés de fabrication ont permis de résoudre ces problèmes. Les PE, et essentiellement le PE haute densité (PEHD), sont utilisés pour les branchements de service qui relient les conduites principales aux points de consommation. À cet effet, le PEHD est le matériau le plus utilisé dans le remplacement des branchements en plomb et en cuivre.
Les conduites en béton-acier sont souvent utilisées pour les grands diamètres. Elles sont communément appelées « conduite en béton précontraint ». Elles sont construites à partir d’un cylindre d’acier revêtu de béton. Des câbles de précontraintes sont aussi insérés dans la couche de béton externe.
Modélisation hydraulique
Des données récentes sur les éclosions de maladies d'origine hydrique suggèrent que les RDEP demeurent une source de contamination à considérer malgré que le nombre de personnes impliquées dans ces éclosions soit faible (INSPQ, 2016). À cet égard, les modèles hydrauliques ne permettent pas directement de prédire les risques microbiologiques, mais ils sont utilisés pour réduire les zones vulnérables en cas de contamination microbiologique de l’eau par un meilleur suivi du CRL. De prime abord, les modèles hydrauliques sont destinés à représenter l’écoulement d’un RDEP selon ses
8
caractéristiques physiques. Leur utilisation permet de soutenir les processus de prise de décision dans diverses applications, incluant la planification, la conception, l’opération, l’amélioration et le suivi de la qualité de l'eau. Une modélisation hydraulique exige une excellente connaissance de la circulation de l’eau dans le RDEP. L’élaboration d’un modèle hydraulique, lorsque couplé à un modèle de qualité de l’eau, permet d’estimer les variations spatio-temporelles de la qualité de l’eau en représentant, en particulier, le transport et la dégradation du CRL. Les premières études ayant incorporées des modèles cinétiques de dégradation du CRL aux modèles hydrauliques d’un RDEP ont vu le jour dans la décennie 1990 (Wable et coll., 1991 ; Jadas-Hécart et coll. ; 1992, Zhang et coll. ; 1992, Biswas et coll. ; 1993, Clark et coll. ; 1994, Rossman et coll., 1994 ; Vasconcelos et coll., 1997). Bien que ces premières études aient été réalisées sur de petits RDEP, les modèles développés sont en mesure de prédire avec une précision appréciable les CCRL, même si le RDEP s’avère complexe.
2.2 Dégradation du chlore libre dans un RDEP
Cette section commence par un rappel des objectifs du traitement de l’eau, en particulier du point de vue du risque microbiologique. Par la suite, l’usage du chlore en tant que désinfectant secondaire est décrit et une emphase est mise sur les cinétiques de sa dégradation en réseau. Finalement, les niveaux de CCRL recherchés dans les RDEP sont présentés.
Règlementation sur la qualité de l’eau potable au Québec
Au Canada, la salubrité de l’eau potable relève tant du gouvernement fédéral que des gouvernements provinciaux. En règle générale, les gouvernements provinciaux établissent leurs propres normes de qualité en fonction des Recommandations pour la qualité de l’eau potable au Canada (Santé Canada, 2017). En ce qui concerne la désinfection secondaire, le Règlement sur la qualité de l’eau potable au Québec (RQEP) prescrit l’utilisation du suivi en continu du désinfectant résiduel dans le RDEP dès qu’il y a désinfection de l’eau, peu importe le type de source d’eau. La Figure 2 illustre la proportion des personnes desservies par les RDEP du Québec qui sont visés par ce règlement. Les RDEP municipaux représentent donc la majorité des réseaux desservant plus de 20 personnes.
9
Figure 2 - Modes d'approvisionnement en eau au Québec
Désinfection de l’eau potable au chlore
Le chlore peut être utilisé comme désinfectant primaire et secondaire. Il est le désinfectant le plus utilisé dans le monde en raison de son faible coût, de son efficacité et de son caractère rémanent (Crittenden et coll., 2005 ; Gopal et coll., 2007). La majorité des UTE au Canada utilisent le chlore comme désinfectant primaire de l’eau à l’UTE pour assurer l’inactivation des organismes pathogènes présents après le traitement physico-chimique lorsqu’il y en a un. Il est également majoritairement utilisé comme désinfectant secondaire dans les RDEP pour limiter les risques de recontamination. Dans son rôle de désinfectant secondaire, le chlore prévient la croissance bactérienne lorsqu'il est maintenu à une concentration résiduelle suffisante dans l’ensemble d'un RDEP. Parmi les 225 stations municipales approvisionnées en eau de surface au Québec, 216 utilisent le chlore comme agent de désinfection et 212 incluent une désinfection secondaire à la filière de traitement conventionnel (MAMOT, 2017).
Dégradation du chlore résiduel libre
Le CRL est consommé par différentes réactions, rapides et lentes, et à différents endroits de l’usine de traitement et du réseau de distribution, soit au cœur de l’écoulement dans la masse d’eau et aux parois des conduites et des réservoirs. Les cinétiques de dégradation du CRL dépendent principalement des facteurs suivants : les caractéristiques physico-chimiques de l’eau au cœur de l’écoulement, les caractéristiques physiques du système de distribution et les conditions hydrodynamiques qui déterminent le transfert de masse entre la paroi et le cœur de l’écoulement.
[POURCENTAG E] 13%
1%
Réseau municipal
Captage individuel ou réseau < 21 pers.
10
La dégradation du chlore résiduel se déroule en deux phases (Zhang et coll., 1992 ; Kiéné et coll., 1998 ; Al-Jasser, 2007). D’après Jadas-Hécart et coll. (1992), la première phase se produit pendant les quatre premières heures et correspond aux réactions rapides du chlore avec les composés réducteurs dans l'eau. Cette phase se produit normalement dans le réservoir qui se situe au bout de la chaine de traitement d’eau dans l'UTE. Durant la deuxième phase, la consommation du chlore résiduel est plus lente que la première et se produit habituellement dans le système de distribution sur le long terme. Cette deuxième phase est celle visée par la présente étude considérant que la dégradation du CRL est suivie à partir de l’entrée du RDEP. Lorsque la CCRL initiale à l’entrée du RDEP (C0), la
constante cinétique totale de dégradation du CRL (kT) et les TDS sont connus, il est
possible de calculer la CCRL en aval de l’entrée du RDEP (Ci) à l’aide d’un modèle
cinétique de premier ordre:
𝐶𝑖 = 𝐶0𝑒−𝑘𝑇𝑖𝑡0→i (2.1)
où
𝐶𝑖 : Concentration au point i (mg/L) ;
𝐶0 : Concentration initiale à l’entrée du RDEP (mg/L) ;
𝑘Ti : Constante cinétique totale associée au parcours de l’eau entre le point 0 et le point i pour une température donnée (ℎ −1
) ; 𝑡0→𝑖 : TDS entre le point 0 et le point i (h).
Le principal avantage de ce type de modèle est sa simplicité d’utilisation puisqu’il n’y a qu’un seul paramètre à ajuster. De plus, Hua et coll. (1999) affirment que l’augmentation de la précision entre l’ordre 1 et l’ordre 2 est négligeable. La performance d’un modèle de premier ordre par rapport à un modèle de deuxième ordre est comparable comme l’ont démontré Powell et coll. (2000).
11
Dans une conduite d’un RDEP, et tel qu’illustré à la Figure 3, la constante cinétique totale (kT) inclut la constante cinétique « kb » (indice b du terme anglais « bulk ») qui représente
la dégradation du CRL au cœur de l’écoulement et « kw » (indice w du terme anglais « wall
») qui intègre, sous la forme d’une constante cinétique de 1er ordre, les cinétiques des réactions de surface à la paroi, du transfert de masse entre la paroi et le cœur de l’écoulement et l’influence du rayon hydraulique (Rossman, 1994).
Figure 3 - Dégradation du chlore résiduel libre
Sachant que kb est considérée constante pour une eau donnée à une température constante :
𝑘𝑇𝑖 = 𝑘𝑏+ 𝑘𝑤𝑖 (2.2)
où
𝑘Ti : Constante cinétique totale associée au parcours de l’eau entre le point 0 et le point i pour une température donnée (ℎ −1
) ;
𝑘b : Constante cinétique associée à la dégradation du CRL au cœur de l’écoulement pour une température donnée (ℎ −1
) ;
𝑘wi : Constante cinétique associée à la dégradation du CRL aux parois des conduites sur le parcours hydraulique entre le point 0 et le point i pour une température donnée (ℎ −1
12
Dégradation du chlore résiduel libre au cœur de l’écoulement
Rossman (1994) définit la dégradation du CRL au cœur de l’écoulement comme la réaction de celui-ci avec la matière dissoute et la matière en suspension. Dans la plupart des eaux, les réactions du chlore avec la matière organique naturelle (MON) constituent la majorité de la demande en chlore. Cela est vrai pour la 2e phase de dégradation du CRL dont il est question dans cette étude. Dans la première phase, d’autres composés, qui exercent une demande très rapide de CRL comme l’ammoniaque, sont aussi importants. La présence de composés réducteurs dans l'eau et la présence de dépôts mobiles contribuent à la dégradation du CRL dans l’écoulement (Kowalska et coll., 2006). Pour calculer une constante cinétique, l’équation 2.1 de dégradation exponentielle du premier ordre est utilisée. Il a été observé que d'autres paramètres que la température de l'eau comme la concentration de MON, la dose de chlore et le pH ont une influence sur cette cinétique (LeChevallier et coll., 1987 ; Powell et coll., 2000). Mais de tous, c’est la température qui joue un rôle prédominant sur la valeur de kb durant la deuxième phase. En effet, plus la
température est élevée, plus la constante de dégradation est élevée (Jadas-Hécart et coll., 1992 ; Hua et coll., 1999 ; Powell et coll., 2000). À cet effet, Powell et coll. (2000) ont démontré que la constante cinétique de dégradation au cœur de l’écoulement peut être calculée en tenant compte de la température et de la C0 pour une eau donnée :
𝑘𝑏=
𝑎
𝐶0∙ 𝑒𝑏𝑇 (2.3)
où
𝑘b : Constante cinétique associée à la dégradation du CRL au cœur de l’écoulement pour
une température donnée (ℎ −1
) ; a : constante d’ajustement (mg/L·h) ; b : constante d’ajustement (C°-1) ;
𝐶0 : Concentration initiale à l’entrée du RDEP (mg/L) ;
13
L’outil solveur d’EXCEL est utilisé pour déterminer les coefficients a et b en minimisant la somme des différences au carré entre les valeurs de CCRL mesurées en laboratoire et celles calculées au moyen des équations 2.1 et 2.3.
Bien que kb dépende de la qualité de l’eau, l’hypothèse simplificatrice que celle-ci ne varie
pas significativement dans un RDEP est appuyée par la majorité des études scientifiques qui ont abordé le sujet. Le Tableau 1 présente les principales valeurs et gammes de valeurs de kb que l’on retrouve dans la littérature. Les valeurs des constantes a et b ne sont pas
rapportées dans ces études.
Tableau 1 - Constantes de cinétique kb (1ier ordre)
kb (10-3/h) T(°C) C0 (mg/L) Référence 70 – 110 - - Zhang et al., 1992 22,9 25,0 - Biswas et al., 1993 20 - - Clark et al., 1994 22,9 - - Rossman et al., 1994 10 – 740 - - AWWARF, 1996 3,3 – 737,5 13,2 - 22,2 - Vasconcelos et al., 1997 90 - 210 18,0 - Lu et al., 1999 22,9 – 30,8 6,0 - 20,0 0,33 - 0,41 Hua et al., 1999 7,9 - 160,8 - 0,50 - 2,50 Powell et al., 2000 5,8 - - Hallam et al., 2002 22,9 - - Ozdemir et al., 2002 11,7 - - Al-Jasser, 2007 140 – 320 - - Devarakonda et al., 2010
Les valeurs de kb que l’on retrouve dans la littérature sont présentées à titre comparatif. En
ce sens, la source d’eau, la température de référence, la concentration initiale en CRL à l’entrée du RDEP et la date de prélèvement doivent être examinées pour établir une juste comparaison. Cependant, ces informations ne sont souvent pas précisées dans la documentation scientifique publiée. De plus, il faut préciser que certaines de ces valeurs sont déduites à partir de mesures sur le terrain. Cependant, la majorité d’entre elles sont calculées à partir de tests en laboratoire. La grande variabilité des valeurs présentées au Tableau 1, variant de 3,3 10-3/h à 740 10-3/h, justifie le besoin d’établir une méthode de détermination de kb pouvant s’appliquer à différents RDEP.
14
Dégradation du chlore résiduel libre aux parois des conduites
La consommation de CRL à la paroi est causée par la réaction de ce dernier avec le matériau de la conduite elle-même, du biofilm et de la réaction avec les tubercules formés sur la paroi pour les tuyaux métalliques. Ces cinétiques de dégradation sont influencées par le diamètre, le matériau et l’importance du biofilm et des tubercules selon l’âge de la conduite. Le biofilm se produit sur les parois des tuyaux, les sédiments, les tubercules inorganiques et les particules en suspension (Characklis, 1981). La vitesse de formation du biofilm dépend de ses propriétés chimiques, des échanges de chaleur avec l'interface, de la rugosité physique de la surface et des caractéristiques physiologiques des microorganismes attachés (Fletcher et coll., 1982).
Tout bien considéré, la détermination de kw pour chaque conduite s’avère complexe sachant
que les diamètres, les matériaux et l’année de mise en service sont variables au sein d’un RDEP. Le Tableau 2 présente quelques valeurs de kw que l’on retrouve dans la littérature.
Tableau 2 - Constantes de cinétique kw
kw (10-3/h) T(°C) Matériau Référence
22,9 25 Variable Biswas et al., 1993 6,3 – 18,8 - Variable Rossman et al., 1994 1,3 – 63,3 13,2 - 22,2 Variable Vasconcelos et al., 1997 34,2 -307,9 ≈ 18 Variable Lu et al., 1999
130 - Fonte Hallam et al., 2002
90 - PVC Hallam et al., 2002
50 - PE Hallam et al., 2002
18,8 - Variable Ozdemir et al., 2002 19,6 – 29,6 - PVC Devarakonda et al., 2010
Le Tableau 2 met en évidence la très large gamme de valeur de kw rapportée dans la
littérature, soit de 1,3 10-3/h à 307,9 10-3/h. Lorsque le terme « Variable » est utilisé, c’est que plusieurs matériaux sont évalués conjointement. Cela témoigne l’importance de déterminer les valeurs de kw pour un RDEP à partir de mesures sur le terrain (Munavalli et
15
Les niveaux de CCRL dans les RDEP
Les données fournies par six provinces canadiennes démontrent que les CCRL habituellement retrouvées dans les systèmes d’approvisionnement en eau potable au Canada varient de 0,4 à 2,0 mg/L à la sortie de l’UTE, de 0,4 à 1,2 mg/L aux points intermédiaires du RDEP et de 0,04 à 0,08 mg/L aux extrémités de réseau (Santé Canada, 2009). Selon l’Organisation Mondiale de la Santé, une CCRL de 0,2 à 0,5 mg/L doit être maintenue en tout point du réseau (OMS, 1997). Cependant, la réglementation québécoise en la matière est le seuil minimal de 0,3 mg/L fixé à la sortie de l’UTE (MDDELCC, 2017a). Dans la pratique, les opérateurs d'UTE tiennent cette valeur à un niveau beaucoup plus élevé. En particulier dans les grands RDEP où la CCRL peut devenir très faible voir indétectable aux extrémités (Powell et coll., 2000). En effet un résiduel de 0,3 mg/L n’est pas suffisant en tête de réseau pour assurer une bonne désinfection secondaire dans l’ensemble d’un RDEP. Ce fait est d’ailleurs reconnu par le MDDELCC : « Le maintien de cette concentration minimale à la sortie du traitement n’est pas garant du maintien d’une concentration résiduelle de désinfectant aux extrémités du système de distribution, ni de protection contre les intrusions » (MDDELCC, 2016a). En fait, la réglementation vise plutôt à assurer un minimum de désinfection primaire (efficacité calculée sur la concentration résiduelle à la sortie des réservoirs). Clark et coll. (1994) soulignent que le chlore résiduel peut pratiquement disparaître à divers moments au cours d’une journée. Il est donc primordial de connaître sa cinétique de dégradation tout au long du réseau pour assurer son suivi.
16
3. Méthodologie
« La connaissance s’acquiert par l’expérience, tout le reste n’est que de l’information. » Albert Einstein La figure 4 illustre schématiquement les
étapes de la méthodologie avec ce qui est déterminé à la suite de chaque étape. En premier lieu, la modélisation hydraulique des études de cas présentées à la section 3.1 permet de représenter la réduction des débits sur une période donnée. Par la suite, une simulation hydraulique de l’âge de l’eau fournit le TDS de l’eau dans les conduites du RDEP à chaque nœud du modèle. En parallèle, un modèle de dégradation du CRL est établi à l’aide des données obtenues lors de campagnes d’échantillonnage et d’analyse dans les RDEP. Ces données permettent de déterminer expérimentalement les cinétiques de dégradation du CRL au cœur de l’écoulement (𝑘b) et d’estimer théoriquement les cinétiques de dégradation du CRL aux parois des conduites (𝑘w) par l’évaluation des chemins hydrauliques. Un modèle de prédiction des CCRL est alors obtenu en calant le modèle hydraulique avec le modèle de dégradation. C’est ainsi qu’il
sera possible d’évaluer les impacts des réductions de débit sur la chloration secondaire. L’utilisation des modèles de prédiction des CCRL permettra, entre autres, d’identifier les zones où le CRL pourrait être insuffisant.
17
3.1 Choix et description des études de cas
Contexte démographique des RDEP du Québec
Les bases de données du MAMOT contiennent des informations sur les RDEP du Québec. On y retrouve la source d’approvisionnement en eau et le type de traitement effectué aux UTE, la longueur totale des conduites des RDEP, la population desservie par ces réseaux, les débits d’eau distribuée de même que les taux de perte d’eau par fuites. La classification du Tableau 3 présente la répartition la plus à jour des RDEP du Québec selon la taille de la population desservie (MAMOT, 2017).
Tableau 3 - Classes de population
Classe de population Descriptif Nombre de
Municipalités Nombre de Réseaux % Réseau < 1 000 P1 475 290 38% [1 000 – 5 000[ P2 454 268 35% [5 000 – 10 000[ M1 79 72 9% [10 000 – 50 000[ M2 84 97 13% [50 000 – 100 000[ G1 9 11 1% ≥ 100 000 G2 10 30 4% Total 1111 768
En première analyse, les RDEP de petites tailles (P1 etP2), bien que majoritaires, distribuent
à faible débit. Il n’est donc pas attendu que la réduction des débits soit significative pour ceux-ci. À l’autre extrême se situe les grandes villes de 50 000 habitants et plus (G1 etG2)
représentant 5% du nombre total de RDEP. En contrepartie, 63% de la population québécoise desservie en eau potable réside dans ces villes. Ce qui est essentiel à retenir, c’est que leur RDEP est composé, pour la plupart, d’une ramification de plusieurs sous-réseaux alimentant des populations de moyennes tailles (M1 et M2).
Le premier critère de sélection des études de cas concerne le procédé de traitement. Celui-ci doit inclure une désinfection secondaire au chlore à la sortie de l’UTE puisque l’étude porte sur la dégradation du CRL en RDEP. La Figure 5 démontre que les RDEP s'approvisionnant en eau de surface desservent la majorité de la population du Québec en eau potable. À cet effet, il faut également souligner, que le fleuve Saint-Laurent est la source d’approvisionnement en eau potable de 52 municipalités desservant 45% des Québécois (MDDELCC, 2016b).
18
Figure 5 – Nombre de personnes desservies par les RDEP du Québec selon la provenance de l'eau En plus du procédé de traitement, il faut également considérer les caractéristiques hydrauliques, la taille de la population desservie et l’occupation du territoire pour effectuer un choix judicieux des RDEP à l’étude.
Sur le plan des caractéristiques hydrauliques, le réseau ne doit pas avoir d’interconnexion avec un autre RDEP ou être alimenté par plus d’une source. Ceci afin de pouvoir caler plus facilement les modèles cinétiques de dégradation du CRL au moyen des données de terrain. La répartition des débits doit également être connue et établie sur des données de consommation récentes pour que cette répartition puisse être ajustée sans engendrer de biais dans la représentativité du cheminement de l’eau dans le réseau. À cet effet, le suivi de la consommation des institutions, commerces et industries (ICI) est effectué au moyen de compteurs d’eau. Le taux de pertes potentielles par fuite doit également être estimé.
Pour ce qui est de la taille de population, les populations de moins de 50 000 habitants sont privilégiées puisque la réduction la plus importante dans la consommation d’eau par habitant a été observée dans ces collectivités (Environnement Canada, 2011).
Finalement, il faut s’assurer que la configuration des quartiers résidentiels soit susceptible de représenter l’occupation du territoire d’une municipalité typique. En ce sens, les RDEP de Pintendre, Saint-Jean-Chrysostome et Saint-Augustin-de-Desmaures rencontrent tous les critères décrits ci-dessus et ils ont été choisis pour faciliter le travail de terrain.
1,0 million 5,3 millions 0,7 million Eau souterraine Eau de surface
Mélange d'eau souterraine et d'eau de surface
19
Collecte et présentation des données des RDEP
La collecte des données a été effectuée auprès des gestionnaires et du personnel technique des services de traitement d’eau des réseaux respectifs. Ces données proviennent des lectures automatisées et manuelles répertoriées par le personnel. Certaines données ont été réunies à la suite de demandes d’information réalisées auprès des personnes ressources des municipalités de Lévis, Québec et Saint-Augustin-de-Desmaures. À cet effet, pour les deux études de cas de Lévis, les données des modèles hydrauliques de référence ont été générés sur le logiciel aquaGEO® en collaboration avec des experts techniques d’Aqua Data, une compagnie oeuvrant dans le diagnostic des RDEP et d’égouts. Pour le RDEP de Saint-Augustin-de-Desmaures c’est le logiciel EPANET qui est utilisé. Les figures de la modélisation hydraulique et des résultats ont été générées sur ArcGIS® avec les bases de données extraites des logiciels aquaGEO® et EPANET. L’occupation du territoire a été réalisée par photo-interprétation à l’aide des images satellites disponibles sur Google Map. Ces informations ont été validées lors de l’enquête sur le terrain réalisée avant les campagnes d’échantillonnage.
3.1.1 Pintendre
Approvisionnement en eau
Le RDEP de Pintendre est un sous-réseau du RDEP de la Ville de Lévis. Ce RDEP est approvisionné par l’UTE Desjardins qui dessert environ 55 000 personnes (MDDELCC, 2016b). L’eau brute, provenant de la prise d’eau située dans le fleuve Saint-Laurent, est d’abord traitée à l’UTE puis acheminée au réservoir de Pintendre.
Occupation du territoire
Le secteur de Pintendre, dont la superficie est de 41 km2, est caractérisé par une densité de population de 165 habitants/km2. Pintendre est constitué de quartiers résidentiels en périphérie du réservoir, comprenant principalement des résidences unifamiliales avec quelques multi-logements. Les commerces sont situés aux abords d’une conduite principale sur la route du Président Kennedy et le parc industriel compte 13 industries (Ville de Lévis, 2017). L’occupation du territoire et la répartition des débits sont illustrées à la Figure 6.
20
Figure 6 - Occupation du territoire et répartition des débits à Pintendre
21
Caractérisation hydraulique
La période de mise en opération des conduites à Pintendre s’étale de 1969 à 2016 et le réservoir en réseau a une capacité de stockage de 2 014 m3 (Y. Chouinard, communication personnelle, 5 octobre 2017). Le modèle hydraulique du RDEP de la Ville de Lévis, construit avec AquaGEO®, est présenté à la Figure 7 (J.-F. Dubé, communication personnelle, 3 novembre 2015). Ce modèle contient 851 conduites dont les principales caractéristiques sont présentées au Tableau 4 pour un total de 44 km.
Figure 7 – Plan des conduites du RDEP de Pintendre
22
Tableau 4 - Caractéristiques du RDEP de Pintendre
Matériau Proportion Diamètre
(mm) Proportion Année de mise en service Proportion PVC 32% 150 15% [1970-1980[ - 200 7% [1980-1990[ 2% 250 3% [1990-2000[ 16% 300 7% [2000-2015] 14% Fonte ductile 59% 150 34% [1970-1980[ 18% 200 23% [1980-1990[ 21% 250 1% [1990-2000[ 17% 300 1% [2000-2015] 3% Fonte grise 9% 200 9% [1950-1970] 9%
La majorité du RDEP, sur le total de 44 km de conduites, est composée de fonte ductile et les plus récents développements sont en PVC. La fonte grise (proportion de 9%) est située dans une zone isolée du réseau. Le volume d’eau distribué qui transite par ce tronçon est faible et c’est pour cette raison que cette catégorie a été négligée. Pour les diamètres, 88% du RDEP est fait de conduites de petits diamètres (150 mm et 200 mm). Cette faible variabilité de diamètres sera importante à considérer lors de l’estimation théorique des cinétiques de dégradation du CRL à la paroi. Finalement, la fonte se distingue du PVC du fait que les années d’installation sont beaucoup moins récentes que pour le PVC. À ce niveau, 94% des conduites en PVC sont installées à partir de la décennie 1990 alors que ce pourcentage est de 29% pour la fonte.
3.1.2 Saint-Jean-Chrysostome
Approvisionnement en eau
Le RDEP de Saint-Jean-Chrysostome est aussi un sous-réseau du RDEP de la Ville de Lévis. Ce RDEP est approvisionné par l’UTE de Saint-Romuald qui dessert environ 27 000 personnes (MDDELCC, 2016b). L’eau brute, prise dans le fleuve Saint-Laurent, est d’abord traitée à l’UTE puis acheminée au réservoir de Saint-Jean-Chrysostome.
23
Occupation du territoire
Le secteur de Saint-Jean-Chrysostome a une superficie de 100 km2 et est caractérisé par une densité de population de 188 habitants/km2. Ce RDEP est constitué de quartiers résidentiels en périphérie comprenant principalement des résidences unifamiliales avec quelques multi-logements. Un petit parc industriel, comprenant 43 entreprises, est situé en amont du RDEP à proximité du réservoir (Ville de Lévis, 2017). Les commerces sont situés aux abords d’une conduite principale sur la route Taniata. L’occupation du territoire à Saint-Jean-Chrysostome et la répartition des débits sont illustrées à la Figure 8.
Figure 8 - Occupation du territoire et répartition des débits à Saint-Jean-Chrysostome
24
Caractérisation hydraulique
La période de mise en opération des conduites de Saint-Jean-Chrysostome s’étale de 1963 à 2010 et le réservoir en réseau a une capacité de stockage de 4 665 m3 (Y. Chouinard, communication personnelle, 5 octobre 2017). Le modèle hydraulique du RDEP de la Ville de Lévis, construit avec AquaGEO®, est présenté à la Figure 9 (J.-F. Dubé, communication personnelle, 3 novembre 2015). Ce modèle contient 1 462 conduites dont les principales caractéristiques sont présentées au Tableau 5 pour un total de 77 km.
Figure 9 - Plan des conduites du RDEP de Saint-Jean-Chrysostome
25
Tableau 5 - Caractéristiques du RDEP de Saint-Jean-Chrysostome
Matériau Proportion Diamètre
(mm) Proportion Année de mise en service Proportion PVC 16% 150 8% [1950-1970[ - 200 6% [1970-1980[ - 250 2% [1980-1990[ 1% 300 - [1990-2000[ 8% 350 - [2000-2015] 7% Fonte ductile 75% 150 46% - - 200 18% [1950-1970[ - 250 5% [1970-1980[ 34% 300 1% [1980-1990[ 17% 350 2% [1990-2000[ 17% 400 3% [2000-2015] 7% Fonte grise 9% 150 3% - - 200 5% [1950-1970[ 9% 300 1% [1980-1990] -
La majorité du RDEP, sur le total de 77 km de conduites, est composée de fonte ductile et les plus récents développements ont été construits en fonte ductile et en PVC. La fonte grise ne représente que 9% du total. Cependant, une grande proportion de l’écoulement circule par cette catégorie de matériau qui est répartie sur l’ensemble du réseau. Pour les diamètres, 81% du RDEP est constitué de 150 mm et 200 mm. Cette faible variabilité de diamètres sera importante à considérer lors de la modélisation. Finalement, tout comme pour Pintendre, la fonte se distingue du PVC du fait que les années d’installation sont beaucoup moins récentes que pour le PVC. À ce niveau, près de 94% des conduites en PVC sont installées à partir de la décennie 1990 alors que ce pourcentage diminue à moins de 29% toute fonte confondue.
3.1.3 Saint-Augustin-de-Desmaures
Approvisionnement en eau
Le RDEP du secteur étudié de la municipalité de Saint-Augustin-de-Desmaures est un sous-réseau de la partie Ouest du RDEP de l’Agglomération de Québec. Ce RDEP est approvisionné par l’UTE de Sainte-Foy qui dessert environ 120 000 personnes (MDDELCC, 2016b). L’eau brute, provenant de la prise d’eau située dans le fleuve
Saint-26
Laurent, est d’abord traitée à l’UTE puis acheminée au réservoir en réseau situé dans le parc industriel de Saint-Augustin-de-Desmaures.
Occupation du territoire
La municipalité de Saint-Augustin-De-Desmaures, dont la superficie est de 86 km2, est caractérisée par une densité de population de 226 habitants/km2. Le principal quartier résidentiel est majoritairement constitué de résidences unifamiliales avec quelques multi-logements. Les commerces sont principalement situés à l’entrée de ce quartier résidentiel. Le sous-réseau à l'étude est également constitué d’un parc industriel comprenant plus de 150 entreprises. Les secteurs d’activités de ces entreprises sont très variés : distribution de machinerie lourde, distribution de produits forestiers, usinage, équipements sportifs, plasturgie, produits métalliques, recyclage, textile et transformation de produits alimentaires (Ville de Saint-Augustin-De-Desmaures, 2017). Finalement, deux zones agricoles et rurales de faible densité sont desservies dont l’une est située en bordure du fleuve St-Laurent au Sud et l’autre est située au Nord. L’occupation du territoire de la zone à l’étude de St-Augustin-de-Desmaures est illustrée à la Figure 10 (encadré rouge). L’occupation du territoire a été réalisée par photo-interprétation à l’aide des images satellites disponibles sur Google Map et les informations ont été validées lors de l’enquête sur le terrain réalisée avant la campagne d’échantillonnage.
Figure 10 - Occupation du territoire à Saint-Augustin-de-Desmaures
27
Caractérisation hydraulique
La période de mise en opération des conduites de Saint-Augustin-de-Desmaures s’étale de 1972 à 2015. Le réservoir en réseau a une capacité de stockage de 11 021 m3 (É. Rozon, communication personnelle, 8 janvier 2018). Un rinçage unidirectionnel est effectué annuellement sur ce réseau. Un modèle hydraulique du RDEP, développé sous EPANET v2.00.12, est présenté à la Figure 11. Ce modèle contient 844 conduites dont les principales caractéristiques sont présentées au Tableau 6.
Figure 11 – Plan des conduites du RDEP de Saint-Augustin-de-Desmaures
Réservoir Béton précontraint
28
Tableau 6 - Caractéristiques du RDEP de Saint-Augustin-de-Desmaures
Matériau Proportion Diamètre (mm) Proportion Année de mise en service Proportion
PVC 16% 100 3% [1970-1980[ - 150 9% [1980-1990[ - 200 4% [1990-2000[ 8% 300 - [2000-2015] 8% Fonte 55% 150 21% [1970-1980[ 39% 200 9% [1980-1990[ 5% 250 15% [1990-2000[ 2% 400 10% [2000-2015] 9% Béton précontraint 29% 100 4% [1970-1980[ 1% 150 17% [1980-1990[ 2% 200 3% [1990-2000[ 16% 250 3% [2000-2015] 10% 300 2%
La majorité du RDEP, sur le total de 59 km de conduites, est composée de fonte ductile et les plus récents développement sont en PVC et en béton précontraint. Pour les diamètres, la variabilité est faible puisque 81% du RDEP est fait de 150 mm à 250 mm. Finalement, pour les années d’installation : 80% des conduites en fonte sont installées avant la décennie 1990 alors que ce pourcentage diminue à 0% et 10% pour le PVC et le béton précontraint.
Similitudes et différences des études de cas
Les similitudes entre les études de cas se limitent principalement à la source d’approvisionnement de l’eau brute, soit le Fleuve St-Laurent, et le nombre de personnes desservies qui est similaire dans l’ordre de grandeur en comparaison avec l’ensemble des RDEP du Québec (voir Tableau 3). Pour ce qui est de l’occupation du territoire, les ICI se situent au début des RDEP pour St-Augustin-de-Desmaures et St-Jean-Chrysostome alors que pour Pintendre ils sont répartis sur le territoire du RDEP. Les réservoirs de St-Augustin et St-Jean-Chrysostome sont situés en amont du RDEP desservi alors que le réservoir de Pintendre est situé au centre du RDEP. Pour ce qui est des matériaux, les conduites métalliques ont des années de services plus anciennes que les conduites en PVC. À cet effet, les conduites en fonte datent principalement des décennies 1970, 1980 et 1990 pour les trois réseaux, mais avec une majorité dans la décennie 1970 pour le réseau de St-Augustin-de-Desmaures.
29
3.2 Modélisation hydraulique et de dégradation du chlore résiduel libre
La combinaison du modèle d'âge de l'eau et du modèle de qualité de l’eau des logiciels AquaGEO® et EPANET est utilisée pour simuler la dégradation du CRL des RDEP. Avec l’équation 3.1, il est possible de déterminer la constante cinétique totale en tout point d’un réseau dont la CCRL initiale, la CCRL à ce point et le TDS pour s’y rendre sont connus.𝑘𝑇𝑖 = −1 𝑡0→i ∙ 𝑙𝑛 ( 𝐶𝑖 𝐶0) (3.1) où 𝐶𝑖 : Concentration au point i (mg/L) ;
𝐶0 : Concentration initiale à l’entrée du RDEP (mg/L) ;
𝑘Ti : Constante cinétique totale associée au parcours de l’eau entre le point 0 et le point i pour une température donnée (ℎ −1
) ; 𝑡0→𝑖 : TDS entre le point 0 et le point i (h).
Le TDS est un paramètre clé de la cinétique de dégradation du CRL en RDEP. Il existe un lien étroit entre les TDS et les CCRL, les CCRL diminuent d’autant plus que les TDS augmentent (Hua et coll., 1999, Delisle et coll., 2015). C'est notamment pour cette raison que les extrémités de réseaux sont utilisées comme points de suivi pour le contrôle du dosage du chlore à l'entrée des RDEP. Par ailleurs, il est important de mentionner que pour un même TDS et une même eau, les CCRL peuvent être différentes puisque les réactions aux parois des conduites et les diamètres des conduites sont différents.
Régime permanent
Le mode « statistic » utilisé dans le logiciel de modélisation a pour effet de fournir les résultats des CCRL en réalisant la moyenne des valeurs simulées sur la durée totale de la simulation (« statistic = average ») (Rossman, 2000). Ce mode correspond à une étude en régime permanent, c’est-à-dire à des débits constants au point d’entrée du RDEP. Un
