Modélisation de scénarios de déversements de pétrole et de la température de l'eau dans la rivière Chaudière

Modélisation de scénarios de déversements de pétrole

et de la température de l'eau dans la rivière Chaudière

Mémoire

Karianne St-Gelais

Maîtrise en génie des eaux - avec mémoire

Maître ès sciences (M. Sc.)

MODÉLISATION DE SCÉNARIOS DE DÉVERSEMENTS

DE PÉTROLE ET DE LA TEMPÉRATURE DE L’EAU

DANS LA RIVIÈRE CHAUDIÈRE

Mémoire

Karianne St-Gelais

Sous la direction de :

Résumé

En juillet 2013, une urgence environnementale a eu lieu dans la municipalité du Lac-Mégantic en Estrie, à la suite d’un déraillement d’un train qui transportait du pétrole. Ce déraillement a provoqué des explosions et des incendies dans le centre-ville. Près de 100 000 litres de pétrole ont réussi à atteindre le Lac-Mégantic et la rivière Chaudière. À la suite de cet accident, plusieurs interventions ont été mises en place afin de limiter les dégâts et l’élaboration de ce projet de maîtrise découle de cette catastrophe. Un des objectifs poursuivis était d’améliorer la prise de décisions des différents intervenants en cas de déversement de substances en milieu aquatique. En générant des modèles de suivi du pétrole, cela pourrait les aider dans leurs prises de décisions. Par exemple, pour décider du moment de la fermeture des prises d’eau potable des villes et des industries ou encore pour l’installation des estacades pour confiner le pétrole.

Pour développer ce modèle de transport de polluants dans la rivière Chaudière, le logiciel HEC-RAS et son module de qualité de l’eau, ont été utilisés. Le modèle développé tient compte uniquement de la dispersion longitudinale puisque le temps entre le moment du déversement et le déploiement des intervenants sur le lieu serait suffisamment grand pour que le pétrole se situe dans la zone du champ lointain et, conséquemment, les concentrations des polluants seraient homogènes. La zone du champ lointain correspond à la zone pour laquelle il ne reste plus que de la dispersion longitudinale puisque la diffusion verticale et transversale est terminée. Les paramètres nécessaires pour réaliser cette modélisation sont la période de simulation, la concentration initiale du polluant, la masse de pétrole déversé, les conditions limites, les types d’équations de croissance (passif ou actif) et le coefficient de dispersion. Ce dernier paramètre a été déterminé expérimentalement afin de choisir parmi les nombreuses équations empiriques existantes laquelle permettrait d’obtenir un coefficient proche de la valeur expérimentale obtenue soit de 4,37 m2_{/s. Ces équations} considèrent les aspects naturels du milieu pour lesquels elles ont été créées et c’est l’équation de Li et al. 1998 (1) qui a été retenue pour le modèle. Une fois l’ensemble des paramètres connus et obtenus de la littérature, plusieurs scénarios de déversements pour différents débits ont été simulés pour valider le modèle. Des courbes de concentration du pétrole en fonction du temps à différents endroits sur la rivière Chaudière ont été obtenues, ainsi que les temps de séjour moyens du pétrole. Avec ce modèle, il a été déterminé que le pétrole prendrait 161,8 h pour atteindre le pont de Saint-Lambert-De-Lauzon pour un débit d’étiage de 3,8 m3_{/s et prendrait 33,2 h pour un débit de crue de 183,4 m}3_{/s. De plus, avec ce modèle le moment pour} lequel le pétrole atteindra la prise d’eau potable de Sainte-Marie pourrait être connu. La température de l’eau est un paramètre qui intervient dans les différents processus de transformation des contaminants lors de déversement. Par contre, ce paramètre n’a pas pu être pris en compte avec le logiciel HEC-RAS.

En complément à ce modèle de transport du pétrole et en préparation pour le développement d’un modèle plus complexe, la modélisation du régime thermique de la rivière Chaudière a été réalisée. Cette modélisation a été conçue en utilisant une régression linéaire multiple, ainsi que les données issues de sondes de température ONSET HOBO U20 0-4M. Ces sondes ont été installées à neuf endroits sur la rivière pour la période allant du 19 septembre au 22 octobre 2017. Les données pour établir la relation linéaire avec celle de la température de l’eau sont : la température de l’air, la température de l’air de la veille (°C), la température de l’air de l’avant-veille (°C), le débit (m3_{/s) et le temps (jours). Les coefficients de détermination obtenus lors de} cette modélisation se situent entre 83 % et 98 % pour l’ensemble des sites et l’erreur quadratique moyenne se situe entre 0,55 et 0,97. Par la suite, une corrélation a été établie entre les équations de régression de la rivière Etchemin et de la rivière Chaudière. Une fois cette corrélation établie, la régression linéaire annuelle pour la rivière Etchemin a été modifiée pour tenir compte de cette corrélation. En tout, dix-huit équations ont été obtenues pour prédire la température de l’eau à différents endroits sur la rivière Chaudière, et ce, pour différentes périodes de l’année.

Table des matières

Résumé ... ii

Table des matières ... iv

Liste des figures ... vi

Liste des tableaux ... viii

Liste des équations ... x

Liste des abréviations ... xi

Liste des symboles ... xii

Remerciements ... xiv

Introduction ... 1

Fréquence des épisodes de pollution en rivière ... 1

Le transport du pétrole ... 3

Mise en contexte et problématique ... 4

Objectif ... 5

Structure du mémoire ... 5

Chapitre 1 — Présentation du bassin versant de la rivière Chaudière... 6

1.1 Site à l’étude ... 6

1.1.1 Le bassin versant de la rivière Chaudière ... 6

1.1.2 Les ouvrages hydrauliques sur la rivière ... 8

1.1.3 La représentation HEC-RAS de la rivière Chaudière ... 11

Chapitre 2 —Modélisation de la migration du pétrole ... 13

2.1 État de l’art ... 13

2.1.1 Généralité sur les hydrocarbures ... 13

2.1.2 Les modes de transport de la matière ... 14

2.1.3 Les processus d’altération ... 14

2.1.4 Détermination de la dispersion d’un polluant dans une rivière ... 16

2.1.5 Description des logiciels de modélisation de suivi de pétrole ... 23

2.2 Paramètres utilisés pour la simulation HEC-RAS ... 24

2.2.1 Débit permanent ... 24

2.2.2 Conditions limites ... 29

2.2.3 Mode de gestion des barrages ... 30

2.2.4 Le module de qualité de l’eau de HEC-RAS ... 31

2.3 Anomalies ... 43

2.3.1 Anomalies sur le coefficient de dispersion ... 43

2.3.2 Alternative ... 43

2.4 Résultats et discussions ... 47

2.4.1 Résultats des GPS ... 47

2.4.2 Résultats des temps de parcours du pétrole ... 51

2.5 Conclusions ... 54

3.1 État des connaissances ... 56

3.1.1 Les facteurs influençant la température d’un cours d’eau ... 56

3.1.2 Les modèles pour estimer la température de l’eau ... 58

3.2 Méthodologie ... 59

3.2.1 Acquisition des données de base ... 60

3.2.2 L’analyse des données de base ... 61

3.2.3 Les mesures de la validité du modèle ... 63

3.3 Résultats et discussion ... 64

3.3.1 Température de l’air ... 64

3.3.2 Débit ... 66

3.3.3 Température de l’eau ... 67

3.3.4 Régression linéaire multiple ... 74

3.3.5 La corrélation entre la rivière Etchemin et la rivière Chaudière ... 78

3.4 Conclusion ... 82

Conclusion générale ... 83

Perspective ... 85

Bibliographie ... 86

Annexe A – Les données brutes de l’expérience des pamplemousses ... 90

Annexe B - Les précipitations pour le mois de septembre et d’octobre 2017 ... 91

Annexe C – Le test de Grubb ... 92

Annexe D – La température de l’air à Beauceville et les températures de l’eau de la rivière Chaudière ... 98

Annexe E – Les résultats initiaux de la régression linéaire multiple des sondes ... 101

Annexe F – Les tests effectués pour valider la régression de la sonde n°1 ... 102

Annexe G - Les tests effectués pour valider la régression de la sonde N°2 ... 103

Annexe H - Les tests effectués pour valider la régression de la sonde N°3 ... 104

Annexe I - Les tests effectués pour valider la régression de la sonde N°4 ... 105

Annexe J - Les tests effectués pour valider la régression de la sonde N°5 ... 106

Annexe K - Les tests effectués pour valider la régression de la sonde N°6 ... 107

Annexe L - Les tests effectués pour valider la régression de la sonde N°7 ... 108

Annexe M - Les tests effectués pour valider la régression de la sonde N°8 ... 109

Liste des figures

Figure 1. Différents évènements recensés ayant pour milieu touché l’eau de surface ... 2

Figure 2. Fréquence des matières en causes pour les différents évènements possibles dans le bassin versant de la rivière Chaudière ... 2

Figure 3. Bassin versant de la rivière Chaudière (MDDELCC, 2018E) ... 7

Figure 4. Pente du lit de la rivière Chaudière (COBARIC, 2014) ... 8

Figure 5. Classement des hydrocarbures (Goeury, 2012) ... 13

Figure 6. Zones de mélange (Meddah, 2016/2017). ... 16

Figure 7. Procédure pour obtenir les débits sur la rivière Chaudière (Dubé, 2005) ... 26

Figure 8. Débits journaliers maximaux au Lac-Mégantic de 1977 à 2016. ... 28

Figure 9. Débits journaliers minimaux au Lac-Mégantic de 1977 à 2016 ... 28

Figure 10. Barrage Lac-Mégantic ... 30

Figure 11. Barrage Sartigan ... 31

Figure 12. Configuration des points de calcul de la qualité de l’eau (Brunner, 2016). ... 32

Figure 13. Représentation du tronçon 1 ... 37

Figure 14. Temps de parcours des pamplemousses ... 39

Figure 15. Coefficients de dispersions obtenus avec les équations empiriques et expérimentalement (méthode des moments) ... 41

Figure 16. GPS GT-350 ... 44

Figure 17. Plan de déploiement des GPS dans la rivière Chaudière ... 45

Figure 18. Rejet des GPS au pont du Lac-Mégantic ... 46

Figure 19. Parcours des deux GPS de Saint-Martin. ... 47

Figure 20. Section de la rivière au Grand Sault ... 48

Figure 21. Section de la rivière Chaudière à Saint-Georges ... 49

Figure 22. GPS coincé dans les débris à Beauceville ... 50

Figure 23. Temps d’arrivée du pétrole du Lac-Mégantic jusqu’au Barrage Sartigan ... 52

Figure 24. Temps d’arrivée du pétrole du Barrage Sartigan jusqu’à Saint-Lambert-de-Lauzon ... 52

Figure 25. Temps d’arrivée du pétrole à la prise d’eau de Sainte-Marie ... 53

Figure 26. Températures journalières aux différentes stations météorologiques sur la rivière Chaudière ... 65

Figure 27. Températures horaires de l’air et de l’eau à Saint-Joseph en 2017 ... 65

Figure 28. Températures de l’air à Québec et températures de l’eau sur la rivière Etchemin ... 66

Figure 29. Débits provenant des stations hydrométriques sur la rivière Chaudière ... 67

Figure 30. Températures horaires de l’eau issues des sondes : a) Lac-Mégantic, St-Martin et Amont barrage Sartigan; b) Aval barrage Sartigan, Amont famine et St-Joseph; et c) Vallée-Jonction, Scott, St-Lambert ... 68

Figure 31. Températures journalières de l’eau issues des sondes ; a) Lac-Mégantic, St-Martin et Amont barrage Sartigan; b) Aval barrage Sartigan, Amont famine et Joseph; et c) Vallée-Jonction, Scott, St-Lambert ... 69

Figure 32. Température de l’eau pour les trois sondes situées en amont. ... 70

Figure 33. Température de l’eau pour les autres sondes ... 71

Figure 34. Relation entre le niveau de l’eau et la température de l’eau pour la sonde de Saint-Lambert-De-Lauzon ... 72

Figure 35. Rapport de l’amplitude journalière de la température de l’eau et de l’air en fonction du débit à Saint-Lambert-De-Lauzon. ... 73 Figure 36. Résidus du modèle de température de l’eau ... 77 Figure 37. Température de l’eau observées et estimées ... 78 Figure 38. Résultats du modèle de température pour l’année 2017-2018 à plusieurs endroits sur la rivière

Chaudière... 82 Figure 39. Les précipitations pour le mois de septembre et d’octobre 2017 ... 91 Figure 40. La relation de la température de l’air et de l’eau au Lac-Mégantic, à St-Martin et en amont du

barrage Sartigan ... 98 Figure 41. La relation de la température de l’air et de l’eau en aval du barrage Sartigan, en amont de la rivière Famine et à St-Joseph-de-Beauce... 99 Figure 42. La relation de la température de l’air et de l’eau à Vallée-Jonction, à Scott et à

Liste des tableaux

Tableau 1. Liste des barrages sur la rivière Chaudière (DEH, 2017B) ... 9

Tableau 2. Stations hydrométriques de la rivière Chaudière et la rivière Famine (DEH, 2017A; COBARIC, 2014) ... 10

Tableau 3. Stations de mesures du débit et du niveau d’eau sur la rivière Chaudière ... 11

Tableau 4. Chaînage des principaux points d’intérêt présents sur la rivière Chaudière ... 12

Tableau 5. Équations pour déterminer le coefficient de dispersion longitudinale (Zeng et Huai, 2014). ... 22

Tableau 6. Rapport des superficies pour utiliser l’interpolation linéaire ... 25

Tableau 7. Scénarios de débit (CEHQ, 2017A) ... 29

Tableau 8. Courbe de tarage ... 30

Tableau 9. Tronçons possibles pour réaliser l’expérience de rejet des pamplemousses ... 36

Tableau 10. Paramètres nécessaires pour mesurer le coefficient de dispersion longitudinal ... 37

Tableau 11. Coefficients de dispersion empiriques ... 40

Tableau 12. Propriétés du pétrole brut (MDDELCC, 2014). ... 42

Tableau 13. Vitesses moyennes du pétrole ... 53

Tableau 14. Temps d’ouverture et de fermeture de la prise d’eau potable de Sainte-Marie. ... 54

Tableau 15. Caractéristiques des stations pour l’installation des sondes de température ... 60

Tableau 16. Caractéristiques des stations météorologiques ... 61

Tableau 17. Statistiques descriptives obtenues pour les sondes avec correction des données aberrantes ... 70

Tableau 18. Résultats du test d’homogénéité ... 74

Tableau 19. Résultats du modèle de régression linéaire multiple pour la rivière Chaudière ... 75

Tableau 20. Résultats du modèle de régression linéaire multiple pour la rivière Etchemin ... 79

Tableau 21. Proportion entre les coefficients de la rivière Chaudière et de la rivière Etchemin ... 80

Tableau 22. Résultats annuels du modèle de régression linéaire multiple pour la rivière Chaudière ... 81

Tableau 23. Les données brutes de l’expérience des pamplemousses ... 90

Tableau 24. Les valeurs aberrantes pour la sonde du Lac-Mégantic ... 92

Tableau 25. Les valeurs aberrantes pour la sonde de Saint-Martin ... 93

Tableau 26. Les valeurs aberrantes pour la sonde aval du barrage Sartigan ... 93

Tableau 27. Les valeurs aberrantes pour la sonde en amont de la rivière Famine ... 93

Tableau 28. Les valeurs aberrantes pour la sonde à St-Joseph-de-Beauce ... 94

Tableau 29. Les valeurs aberrantes pour la sonde à Vallée-Jonction ... 94

Tableau 30. Les valeurs aberrantes pour la sonde à Scott ... 95

Tableau 31. Les valeurs aberrantes pour la sonde à St-Lambert-De-Lauzon ... 96

Tableau 32. Les résultats du modèle de régression linéaire multiple. ... 101

Tableau 33. Les résultats du test sur les coefficients de régression ... 102

Tableau 34. L’analyse de la variance pour la signification de la régression ... 102

Tableau 35. Les résultats du test sur les coefficients de régression ... 103

Tableau 36. L’analyse de la variance pour la signification de la régression ... 103

Tableau 37. Les résultats du test sur les coefficients de régression ... 104

Tableau 38. L’analyse de la variance pour la signification de la régression ... 104

Tableau 39. Les résultats du test sur les coefficients de régression ... 105

Tableau 40. L’analyse de la variance pour la signification de la régression ... 105

Tableau 42. L’analyse de la variance pour la signification de la régression ... 106

Tableau 43. Les résultats du test sur les coefficients de régression ... 107

Tableau 44. L’analyse de la variance pour la signification de la régression ... 107

Tableau 45. Les résultats du test sur les coefficients de régression ... 108

Tableau 46. L’analyse de la variance pour la signification de la régression ... 108

Tableau 47. Les résultats du test sur les coefficients de régression ... 109

Tableau 48. L’analyse de la variance pour la signification de la régression ... 109

Tableau 49. Les résultats du test sur les coefficients de régression ... 110

Liste des équations

Équation 7. Dispersion longitudinale (Zeng et Huai, 2014) ... 19

Équation 8. Des moments (Meddah, 2016/2017). ... 19

Équation 9. La variance (Meddah, 2016/2017). ... 20

Équation 10. Le temps de passage de la concentration (Meddah, 2016/2017). ... 20

Équation 11. La vitesse moyenne de l’écoulement (Meddah, 2016/2017). ... 20

Équation 12. Chatwin (Meddah, 2016/2017)... 20

Équation 13. ‘Routing procedure’ (Meddah, 2016/2017). ... 21

Équation 14. Transport diffusif (Meddah, 2016/2017). ... 21

Équation 15. Interpolation linéaire par superficie de bassin versant. ... 24

Équation 16. La concentration du pétrole dans la rivière ... 33

Équation 17. Fischer 1979 (Brunner, 2016) ... 34

Équation 18. La masse volumique ... 42

Équation 19. Coefficient de détermination (Hines et al. 2012) ... 63

Équation 20. Coefficient de détermination ajusté (Hines et al. 2012) ... 63

Équation 21. Erreur quadratique moyenne ... 64

Équation 22. Régression pour la sonde #1 (Lac-Mégantic) ... 75

Équation 23. Régression pour la sonde #2 (Saint-Martin) ... 75

Équation 24. Régression pour la sonde #3 (Amont du barrage Sartigan) ... 75

Équation 25. Régression pour la sonde #4 (Aval du barrage Sartigan) ... 75

Équation 26. Régression pour la sonde #5 (Amont famine) ... 75

Équation 27. Régression pour la sonde #7 (Saint-Joseph-de-Beauce) ... 76

Équation 28. Régression pour la sonde #8 (Vallée-Jonction) ... 76

Équation 29. Régression pour la sonde #9 (Scott) ... 76

Liste des abréviations

Abréviation Signification

API Le degré American Petroleum Institute

BTEX Benzène, toluène, éthlbenzène, xylènes

CEAEQ Centre d’expertise en analyse environnementale du Québec

CN Chemins de fer nationaux du Canada

COBARIC Comité de bassin versant de la rivière Chaudière

CP Chemin de fer Canadien Pacifique Limitée

DEH Direction de l’expertise hydrique

EDF Électricité et développement de France (EDF)

HAP Hydrocarbures aromatiques polycycliques

LNHE Laboratoire National d’hydraulique et Environnement

MDDELCC Ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques

MRC Municipalités régionales de comté

OBV Organisme de bassin versant

ONÉ Office national de l’énergie

PDE Plan directeur de l’eau

PIU Plan d’intervention d’urgence

RMSE La racine de l’erreur quadratique moyenne

SGS Système de gestion de la sécurité

SSRC Système de surveillance de la rivière Chaudière

ua Unité astronomique

Liste des symboles

Symbole Définition Unité

a1 Coefficient qui dépend de la position du rejet (s1/3) s1/3

a2 Coefficient qui dépend des caractéristiques géométriques et hydrauliques du cours

d’eau s

1/3

A Aire de section latérale du canal m2

Ai Aire des sous-sections m2

Ax Superficie du bassin versant au site non jaugé km2

Aréférence 1 Superficie du bassin versant à la station hydrométrique de référence amont km2 Aréférence 2 Superficie du bassin versant à la station hydrométrique de référence aval km2

b Largeur du canal m

c Concentration massique g/m3

ci Concentration d’une sous-section g/m3

Ct Concentration du polluant à travers la section totale g/m3

C1 Concentration du pétrole avant le déversement mg/L

C2 Concentration du pétrole dans la rivière mg/L

Cmax Concentration maximale g/m3

DL Coefficient de dispersion longitudinale m2/s

εt Coefficient de mélange transversal local m2/s

h Profondeur d’écoulement m

i Point de la station -

k Nombre de variables indépendantes -

Lm Longueur de mélange m

m Multiplicateur dans l’équation de Fisher -

M Masse de la substance injectée g

ma Masse du pétrole g

N Nombre de sous-sections -

n Nombre d’observations -

𝜌 Masse volumique du pétrole g/L

q1 Débit d’injection du pétrole dans la rivière m3/s

q2 Débit de la rivière au point de rejet m3/s

Q Débit du cours d’eau m3_/s

Qx Débit au site non jaugé m3/s

Qréférence 1 Débit à la station hydrométrique de référence amont m3/s Qréférence 2 Débit à la station hydrométrique de référence aval m3/s

R2 Coefficient de détermination -

R2aj Coefficient de détermination ajusté -

RMSE Erreur quadratique moyenne -

SSe Somme des carrés des résidus °C

SSR Somme des carrés due à la régression °C

SST Somme des carrés totaux °C

t Temps s

t̅ Temps de passage de la concentration s

tp Temps du pic de la concentration maximale s

t1 Temps du premier profil s

t2 Temps du deuxième profil s

Teau(t) Température de l’eau prédite °C

Tair(t − 1) Température de l’air de la veille °C

Tair(t − 2) Température de l’air de l’avant-veille °C

Temps Rapport entre le nombre de jours depuis le 1er _{janvier sur 365 jours jours}

U Vitesse moyenne de l’écoulement m/s

u Vitesse locale de l’écoulement m/s

u* Vitesse de cisaillement m/s

u ’ Déviation de la vitesse locale (u) par rapport à la vitesse moyenne (U) à travers la

section latérale de la rivière m/s

ui Vitesse de l’écoulement à travers la sous-section Ai m/s

v Volume du pétrole qui a atteint la rivière Chaudière L

x Distance dans la direction longitudinale m

xi Distance entre la station i et le point de déversement m

x1 Distance du premier profil temporel des concentrations connut m

x2 Distance du deuxième profil temporel des concentrations m

y Coordonnée dans la direction latérale d’une section transversale m

Yobservé Données de température observée °C

Yprédit Données de température de l’eau du modèle °C

σ2

Remerciements

La réalisation de ce projet de recherche n’aurait pas été possible sans la participation de plusieurs personnes qui ont su me soutenir durant mes études au deuxième cycle.

J’exprime mes remerciements à mon directeur de maîtrise, M. Brian Morse qui a su m’orienter dans mes recherches et faciliter mon travail. Merci également pour ta confiance, ta disponibilité et ta compréhension. À Mme Rosa Galvez, qui a accepté ma candidature aux études de deuxième cycle et qui m’a proposé ce projet recherche.

Au professionnel de recherche de Brian Morse, M. Benoit Turcotte, pour sa disponibilité à répondre aux questions et pour son aide pour la programmation des sondes de température. Je tiens également à remercier Dany Crépault, technicien en travaux d’enseignement et de recherche pour son aide lors de l’installation des sondes de température et lors de la validation du modèle de suivi du pétrole avec les GPS. Je voudrais aussi remercier Martin Lapointe, technicien en électronique industrielle pour son aide avec les GPS et avec les branchements des fils pour augmenter la capacité de la batterie.

Je remercie les fonds Marthe-et-Robert-Ménard de m’avoir donné une bourse pour réaliser cette maîtrise.

Je remercie ma famille, ma mère Caroline Gilbert pour sa précieuse aide et son soutien et mon conjoint Kim Rhodérick Côté pour ses encouragements et sa patience.

Je voudrais également remercier mon amie Caroline Brodeur-Doucet pour son soutien moral et ses conseils. J’exprime aussi ma reconnaissance envers ma collègue Stéphanie Carrier pour son support.

Introduction

L’eau est une ressource vitale limitée qu’il faut préserver. Couvrant 70 % de la surface de la terre, 95 % est de l’eau salée et 5 % de l’eau douce (GE, 1999). Le Québec possède 3 % des réserves en eau douce provenant de ses nombreuses rivières (4 500) et de ses 500 000 lacs, ce qui fait du Québec un endroit riche en eau potable. L’usage le plus important de l’eau de surface est son utilisation comme source d’eau potable qui permet d’alimenter 85 % de la population québécoise (GE, 1999 ; MDDELCC, 2018C). Il est important d’en faire une gestion saine afin que la population puisse continuer de profiter de cette richesse tant en quantité qu’en qualité et pour permettre aux générations futures d’assurer leurs besoins. Cette gestion de l’eau doit donc être orientée vers la protection de la santé publique et vers la protection d’un approvisionnement en eau potable de bonne qualité. Des mécanismes de prévention de la contamination de l’eau doivent être mis en place, puisque l’eau est très vulnérable aux substances qui peuvent menacer la santé (GE, 1999).

Fréquence des épisodes de pollution en rivière

Depuis le 1er _{avril 2008, le ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les} changements climatiques (MDDELCC) tient un registre des interventions d’urgence. Une urgence environnementale est définie comme une situation « qui menace, altère ou est sur le point de détériorer la qualité de l’eau, de l’air, du sol ou de l’environnement dans lesquels évolue l’être humain et qui nécessite une intervention immédiate » (MDDELCC, 2018B).

Selon le registre des interventions d’urgence qu’est tenu de faire le MDDELLC depuis 2008, 272 évènements se seraient produits dans le bassin versant de la rivière Chaudière en considérant uniquement les municipalités couvrant ce territoire. Parmi ces 272 évènements, 102 auraient touché les eaux de surface. Les causes et les origines de la contamination des eaux de surface sont multiples. Ces évènements ont été regroupés en sept classes afin de déceler leur fréquence d’occurrence. La Figure 1 présente la fréquence de ces évènements par type de cause.

Figure 1. Différents évènements recensés ayant pour milieu touché l’eau de surface

Les déversements de substances sont les évènements les plus fréquents dans le bassin versant de la rivière Chaudière avec un pourcentage de 48 %. Les évènements qui sont moins fréquents dans ce secteur sont les incendies et les accidents (4 %). Pour chacun des évènements recensés, la matière en cause est différente. La Figure 2 présente le pourcentage de fréquence des matières qui ont été rejetées dans les cours d’eau.

Figure 2. Fréquence des matières en causes pour les différents évènements possibles dans le bassin versant de la rivière Chaudière

Les produits pétroliers tels que les gaz, l’essence, le diesel, le mazout et l’asphalte représentent les constituants les plus fréquemment recensés avec un pourcentage de 40 % dans les eaux de surface de ce secteur depuis 2008.

C’est principalement par déversement, accident et incendie que les produits pétroliers se retrouvent en contact avec les eaux de surface. En effet, des 48 % des évènements de déversements (figure 1) : 22 % avaient pour matière en cause des produits pétroliers et des 4 % des accidents et des incendies, 100 % avaient pour matière en cause les produits pétroliers. Ceci confirme l’importance de la problématique des déversements d’hydrocarbures et des produits pétroliers dans les eaux de surface du bassin versant de la rivière Chaudière.

Le transport du pétrole

Le transport du pétrole brut peut se faire par train, par pipeline et par bateau. Le troisième plus grand réseau ferroviaire au monde est celui du Canada avec 45 199 kilomètres-route de voies ferrées (ENEV, 2013 ; Gouvernement du Canada, 2018B). Les deux compagnies qui dominent l’exploitation de ce réseau de transport sont : Chemins de fer nationaux du Canada (CN) et Chemin de fer Canadien Pacifique Limitée (CP). Depuis longtemps, ce réseau est utilisé pour transporter des hydrocarbures et d’autres matières dangereuses à travers le Canada et vers les États-Unis (ENEV, 2013). L’exportation du pétrole brut a considérablement augmenté depuis 2013. Celle-ci était de 2,6 Mb/j en 2013 et de 3,3 Mb/j en 2017, ce qui correspond à une hausse de 27 % (Gouvernement du Canada, 2018A).

Bien que le pétrole brut circule majoritairement par pipeline, le transport du pétrole brut ou de marchandises dangereuses par voie ferrée a augmenté considérablement. Par exemple, entre 2016 et 2017, le transport de pétrole a augmenté de 18 % (RNCan, 2018). Ce transport peut occasionner de grands risques pour la sécurité des civils, mais aussi pour l’environnement, de par leur risque potentiel de collision et de déraillement sur les voies principales sillonnant les villes et villages (ENEV, 2013). Lorsque de tels accidents surviennent, Transport Canada est responsable d’établir « le régime de sécurité applicable à l’exploitation des voies de chemins de fer » (ENEV, 2013). Il a l’obligation d’assurer la protection des personnes, des biens et de l’environnement. Par contre, la responsabilité d’assurer l’exploitation des voies ferroviaires revient aux compagnies de chemin de fer. Les compagnies sont alors responsables de mettre en place des systèmes de gestion de la sécurité (SGS) approuvés et vérifiés par Transport Canada (ENEV, 2013). Lorsque des déversements de pétrole brut ou de substances dangereuses surviennent, un poste de commandement est mis en place par les compagnies pour agir selon le plan d’intervention d’urgence (PIU). Le PIU est un plan qui décrit les actions qui doivent être faites lors d’un accident de transport impliquant des substances

dangereuses. Ce plan permet alors d’aider les intervenants pour une récupération sécuritaire des substances, ainsi que pour les activités de nettoyage dans l’environnement. L’élaboration de ce plan est obligatoire pour tous les expéditeurs et il doit être approuvé par Transport Canada (ENEV, 2013).

Depuis 2012, le réseau de transport ferroviaire s’est beaucoup amélioré. En effet, le nombre d’accidents entre 2003 et 2012 a baissé de 25 % et le nombre de déraillements sur les voies principales a baissé de 60 % (ENEV, 2013). En 2012, il y a eu 48 % moins d’accidents impliquant des matières dangereuses qu’en 2003 et deux accidents ont donné lieu à des déversements dans l’environnement (ENEV, 2013).

Mise en contexte et problématique

En juillet 2013, une grande urgence environnementale a eu lieu dans la municipalité du Lac-Mégantic, dans la région de l’Estrie, impliquant des wagons-citernes. En effet, un train qui transportait 7,7 millions de litres de pétrole brut léger a déraillé, provoquant des explosions et des incendies dans le centre-ville (Roy, 2016). Les conséquences de cet accident sur le plan environnemental, social et économique sont majeures. En effet, la faune et la flore aquatique ainsi que les sédiments ont été altérés, puisque 100 000 litres de pétrole ont rejoint la rivière Chaudière et le Lac-Mégantic (Roy, 2016). De plus, la présence du pétrole dans la rivière Chaudière a obligé les municipalités de Saint-Georges, Sainte-Marie et Lévis ainsi que les deux industries agroalimentaires Agropur à Beauceville et Olymel à Vallée-Jonction à trouver d’autres sources d’eau potable, puisque l’utilisation de leur prise d’eau potable présentait un danger pour la santé de la population (Roy, 2016). Elles ont dû trouver des alternatives pour une période assez longue puisque ce n’est que 75 jours après le déversement que les prises d’eau de la rivière Chaudière sont redevenues sécuritaires (MDDELCC, 2018D). Ces prises d’eau permettent d’alimenter 47,2 % de la population de Chaudière-Appalaches (Galvez-Cloutier et al, 2014).

Lors de cet accident, trois phases d’intervention ont été mises en place. La première consistait à éteindre l’incendie, à arrêter la migration du pétrole et à procéder à l’évacuation des personnes à risque. La deuxième intervention visait la décontamination du secteur et la troisième concernait la reconstruction du centre-ville et la relance de la vie à Lac-Mégantic (Roy, 2016). Lors de la première phase d’intervention, plusieurs estacades ont été installées sur la rivière Chaudière entre le barrage Mégantic et Saint-Joseph-de-Beauce afin de pomper et de traiter le pétrole (Roy, 2016). La pollution des rivières causée par des déversements accidentels peut avoir un effet néfaste sur l’écologie et sur diverses utilisations de l’eau. Il devient donc important d’avoir des outils précis et efficaces pour prédire la concentration et la propagation des polluants, et ce, surtout à proximité des prises d’eau potable.

Objectif

Ce projet de maîtrise visait à développer un outil d’aide à la décision lors de déversement de substances en milieu aquatique afin d’aider les différents intervenants dans leur prise de décisions. Un modèle de suivi de pétrole dans la rivière Chaudière a été réalisé avec le logiciel HEC-RAS et son module de qualité de l’eau. Ce modèle est en mesure de déterminer la concentration et le temps d’arrivée du pétrole à différents endroits le long de la rivière Chaudière. Les intervenants possèderont alors une meilleure connaissance du transport des polluants dans la rivière et pourront ainsi poser des actions afin de limiter sa propagation dans l’environnement.

Le deuxième objectif du projet de maîtrise consistait à obtenir des informations sur le régime thermique de la rivière Chaudière. La température de l’eau est un paramètre important pour la santé des écosystèmes aquatiques, pour la qualité de l’eau, pour les processus de transformation des polluants et pour les activités socio-économiques et récréatives (Laanaya, 2015). Ce modèle de température de l’eau pourrait être utilisé pour une modélisation plus poussée avec des logiciels de suivi de pétrole existant.

Structure du mémoire

Ce mémoire est divisé en cinq chapitres. Le chapitre 1 est une présentation du bassin versant dans lequel le modèle de suivi du pétrole a été développé. Le chapitre 2 présente la modélisation du suivi du pétrole dans la rivière Chaudière : 2.1 une description des hydrocarbures, des processus impliqués dans le transport et l’altération des polluants, des moyens pour déterminer la dispersion et des logiciels de modélisation existant 2.2 les paramètres utilisés pour la simulation avec le logiciel HEC-RAS, suivi en 2.3 de la présentation des résultats et d’une discussion sur le transport de pétrole dans la rivière Chaudière. Le chapitre 3 présente la modélisation de la température de l’eau : 3.1 une revue de la littérature permettant de mieux comprendre les processus influençant la température de l’eau et les manières de modéliser la température 3.2 la méthodologie employée 3.3 de la présentation des résultats et d’une discussion. Le chapitre 5 présente les conclusions et les contributions de ce travail. Le dernier chapitre, le chapitre 6, présente les étapes de recherche pour aller plus loin avec les deux modèles.

Chapitre 1 — Présentation du bassin versant de la

rivière Chaudière

1.1 Site à l’étude

À l’automne 2002, le Québec s’est doté de la Politique nationale de l’eau. L’une des mesures de cette politique consistait à mettre en place la gestion intégrée de l’eau par bassin versant (MDDELCC, 2018A). Cette gestion favorise la responsabilisation des acteurs de l’eau envers l’eau. Cette responsabilisation est cruciale puisque l’eau est une richesse commune et essentielle pour les Québécois. Les acteurs principaux de cette gestion sont les organismes de bassins versants (OBV), composés des municipalités régionales de comté (MRC), des municipalités, des usagers, des groupes environnementaux et des citoyens. Le mandat premier des organismes de bassins versants est l’élaboration d’un plan directeur de l’eau (PDE). Ce plan présente le portrait, le diagnostic, les enjeux, les objectifs ainsi que le plan d’action pour le bassin versant. Présentement, il y a 40 organismes de bassin versant et celui du bassin versant de la rivière Chaudière, fondé en 1994, se nomme le COBARIC (ROBVQ, 2018).

Ce chapitre présente le bassin versant de la rivière Chaudière ainsi que ses sous-bassins. La description du principal cours d’eau du bassin versant, soit la rivière Chaudière, sera également présentée ainsi que les différents secteurs qui la composent. Les ouvrages hydrauliques, tels les barrages et les stations hydrométriques, seront décrits dans ce chapitre.

1.1.1 Le bassin versant de la rivière Chaudière

Le bassin versant de la rivière Chaudière est situé dans les régions administratives de l’Estrie et de Chaudière-Appalaches. Celui-ci couvre une superficie de 6 694 km2 _{dont l’occupation du territoire est} principalement forestier. Ce bassin versant est composé des sous-bassins versants de la rivière Beaurivage, de la rivière Bras Saint-Victor, de la rivière Famine, de la rivière du Loup et de la rivière Chaudière. La Figure 3 représente le bassin versant de la rivière Chaudière et ses sous-bassins (MDDELCC, 2018E).

Figure 3. Bassin versant de la rivière Chaudière (MDDELCC, 2018E)

La rivière Chaudière prend sa source directement dans le Lac-Mégantic et s’écoule jusqu’au fleuve Saint-Laurent. Elle est considérée comme l’un des principaux affluents de la rive sud du fleuve (COBARIC, 2014). La rivière est divisée en trois secteurs soit la Haute-Chaudière, la Moyenne-Chaudière et la Basse-Chaudière. Il est possible de voir ces trois secteurs sur les Figures 3 et 4. Le secteur de la Haute-Chaudière débute au Lac-Mégantic jusqu’à la confluence de la rivière Chaudière avec la rivière du Loup. Le secteur de la

Moyenne-Chaudière, quant à lui, commence du barrage Sartigan à Saint-Georges jusqu’à la municipalité de Scott. La Basse-Chaudière correspond à la partie aval du secteur et s’étend jusqu’à l’exutoire de la rivière Chaudière (COBARIC, 2014). La Figure 4 représente le dénivelé de la rivière Chaudière. Les pentes dans le secteur de la Haute-Chaudière, la Moyenne-Chaudière et la Basse-Chaudière sont respectivement de 2,5, 0,5 et 3,0 m/km (COBARIC, 2014). Il est possible de voir sur la Figure 4 que le profil de la rivière varie beaucoup entre ces trois secteurs. En raison de la faible pente dans le secteur de la Moyenne-Chaudière en aval d’un secteur où la pente est élevée, le risque d’inondations est plus prononcé puisque les vitesses sont ralenties favorisant ainsi de fortes accumulations d’eau. De plus, ce secteur reçoit des apports d’eau importants de ses trois principaux tributaires, soit la rivière du Bras Saint-Victor, la rivière Famine et la rivière du Loup.

Figure 4. Pente du lit de la rivière Chaudière (COBARIC, 2014)

La différence de dénivelé dans la rivière Chaudière influence les niveaux d’eau ainsi que les ouvrages hydrauliques tels que les barrages qui sont présents en très grand nombre dans ce bassin versant.

1.1.2 Les ouvrages hydrauliques sur la rivière

La direction de l’expertise hydrique (DEQ) est une direction du sous-ministre adjoint à l’expertise et aux politiques de l’eau et de l’air du MDDELCC. Sa mission consiste à gérer le régime hydrique des barrages du Québec tout en assurant la sécurité, l’équité et le développement durable. Parmi ses principaux mandats, il a la responsabilité d’exploiter les barrages et les stations de mesures du niveau d’eau et de débit (DEH, 2018). Pour le bassin versant de la rivière Chaudière, la direction de l’expertise hydrique est responsable de gérer 209 barrages en date de 2013 (COBARIC, 2014). Ces barrages sont susceptibles d’influencer le régime des

eaux de ce bassin versant. Parmi ces barrages, quatre se retrouvent directement sur la rivière Chaudière, tel que présenté au Tableau 1.

Tableau 1. Liste des barrages sur la rivière Chaudière (DEH, 2017B)

# Barrage Nom Année de

construction Hauteur (m) Longueur (m) Municipalité

X0002489 Mégantic 1973 5,6 33 Lac-Mégantic

X0003912 Sartigan 1967 12,8 198 Saint-Georges

X2016944 - 2002 5 105 Saint-Georges

X0003749 Chutes de la Chaudière 1998 10 421 Lévis

Ces quatre barrages de type béton-gravité sont tous de forte contenance et ont tous des utilités différentes. Le barrage Mégantic permet de contrôler les inondations. Le barrage Sartigan sert au contrôle des glaces, à surélever l’eau pour l’alimentation en eau potable ainsi qu’au passage de voitures (Morse et al. 2002). Le barrage de Saint-Georges a un usage récréatif et de villégiature. Le barrage des Chutes-de-la-Chaudière sert pour l’hydroélectricité (CEHQ, 2017B).

La direction de l’expertise hydrique exploite un réseau de 230 stations hydrométriques afin de visualiser le débit et le niveau d’eau des cours d’eau (DEH, 2017A). Les données provenant de ces stations sont accessibles à l’ensemble de la population afin que ceux-ci puissent suivre le comportement des rivières. La rivière Chaudière compte 17 stations hydrométriques, mais seulement 5 sont toujours en fonction en 2018 (DEH, 2017A ; COBARIC, 2014). Le Tableau 2 présente l’ensemble des stations se trouvant sur la rivière Chaudière et celle de la rivière Famine, un tributaire de la rivière Chaudière.

Tableau 2. Stations hydrométriques de la rivière Chaudière et la rivière Famine (DEH, 2017A; COBARIC, 2014)

Les informations de ces stations ont été utilisées pour obtenir le débit à plusieurs endroits sur la rivière. Le bassin versant de la rivière Chaudière possède son propre système de surveillance depuis 2010 (SSRC). Ce système a été élaboré dans le but de suivre les crues et de faciliter les échanges d’informations entre les municipalités riveraines pour améliorer le temps de réponse et ainsi protéger les citoyens contre les inondations (COBARIC, 2014). Ce système donne des informations sur le niveau d’eau et sur le débit à des endroits stratégiques. Ces informations sont accessibles à l’ensemble de la population et se retrouvent sur le # de la

station Localisation données Type de De À

023402 Au pont-route 218 à Saint-Lambert-De-Lauzon Débit

Niveau 1915 Aujourd’hui

023403 À 0,2 km en aval du ruisseau Drolet Débit 1915 1983

023404 Au pont-route 173 à Vallée-Jonction Niveau 1963 1972

023405 Au pont-route 108 à Beauceville Niveau 1963 1972

023406 Au pont-route 171 à Scott-Jonction Niveau 1915 1982

023407 Au pont-route à Sainte-Marie Niveau 1924 2003

023408 Au pont-route à Saint-Joseph-de-Beauce Niveau 1915 1982

023413 Au pont-route à Saint-Georges Niveau 1963 1972

023417 À 5,1 km en aval du pont-route à Sainte-Marie Niveau 1964 1971 023418 À 5,5 km en aval du pont-route 108 à Beauceville Niveau 1964 1972

023424 À 3,4 km en aval du ruisseau Drolet Niveau 1965 1968

023426 À 4,7 km en amont du pont-route 108 à Beauceville Débit 1965 1981

023427 En aval du barrage Mégantic Débit 1976 Aujourd’hui

023429 À 0,1 km en aval du barrage Sartigan Débit 1969 Aujourd’hui

023430 Sur la rivière Chaudière à Saint-Georges Niveau 1968 2010

023446 À 0,2 km en amont du barrage Sartigan Niveau 2010 Aujourd’hui

023448 À Saint-Martin à la passerelle de motoneige Débit 2012 Aujourd’hui 023422 À 6,3 km en amont du pont-route 173 à Saint-Georges

site internet suivant : http://www.ssrc.cobaric.qc.ca/publique_index.php (COBARIC, 2014). Le Tableau 3 présente l’emplacement des stations qui se trouvent sur la rivière Chaudière. D’autres sondes se trouvent à Lévis et sur la rivière Beaurivage, mais ne sont pas décrites dans le Tableau 3.

Tableau 3. Stations de mesures du débit et du niveau d’eau sur la rivière Chaudière (Système de surveillance de la rivière Chaudière, 2017)

Ces sondes n’ont pas été utilisées pour élaborer le modèle de suivi de pétrole puisqu’elles ne donnent des informations que sur le niveau d’eau. Après avoir obtenu les caractéristiques du bassin versant à l’étude et l’emplacement des différents ouvrages, une représentation simple du cours d’eau a été effectuée.

1.1.3 La représentation HEC-RAS de la rivière Chaudière

Dans le cadre de ce projet de maîtrise, la direction de l’expertise hydrique du Québec a fourni leur modèle HEC-RAS de la rivière Chaudière. Avec ce modèle, la bathymétrie de la rivière est connue ainsi que le dimensionnement des ponts et des barrages. Ce modèle débute au Lac-Mégantic et s’étend sur une distance de 167,61 km jusqu’en amont du pont de la route 218 à Saint-Lambert-De-Lauzon. La section de l’exutoire avec le fleuve Saint-Laurent n’est donc pas couverte. Les principaux points d’intérêt situés sur la rivière ainsi que le chaînage utilisé pour effectuer cette modélisation se retrouvent au Tableau 4. Le chainage 0 km correspond à l’exutoire, soit le fleuve Saint-Laurent.

Localisation Type de données Saisie Pont-route 271/ St-George Niveau

Pont couvert/ Notre-Dame-des-Pins Niveau Manuelle

Pont de la route 108/Beauceville Niveau

Pont de la route 276/Saint-Joseph Niveau Lorsque dépasse 145,580 m Pont de la route 112/Vallée-Jonction Niveau Lorsque dépasse 142,960 m

Pont de la route 216/ Sainte-Marie Niveau

Tableau 4. Chaînage des principaux points d’intérêt présents sur la rivière Chaudière

Site Chaînage (km)

Lac-Mégantic 189,37

Pont de la rue Frontenac (Mégantic) 189,26

Barrage Mégantic 189,24

Pont-chemin fer (Lac-Mégantic) 189,20

Nouveau pont de la rue Lévis (route locale) 188,99 Passerelle-sentier Québec (motoneige) 188,41 Pont du boulevard Jean-Marie-Tardif (route nationale) 186,23

Pont du chemin du Lac-Drolet 165,43

Pont de la rue du Pont (Saint-Ludger) 152,05

Passerelle (Saint-Martin) 121,40

Pont de l’avenue du Pont (Saint-Martin) 120,16

Barrage Sartigan (Saint-Georges) 103,28

Pont de la route 271 (Saint-Georges) 99,95

Passerelle Parc-de-l’île-Pozer (Saint-Georges) 99,14 Passerelle coin de la rue Veilleux (Saint-Georges) 98,41

Amont de la rivière Pozer 97,77

Aval de la rivière Pozer 97,61

Pont de la 30e rue (Notre-Dame-des-Pins) 91,12 Passerelle couverte de la 30e rue (Notre-Dame-des-Pins) 91,06 Passerelle vers le parc de l’île ronde (Beauceville) 84,05

Pont de la route 108 (Beauceville) 83,93

Pont de la route Lagueux (276) (Saint-Joseph-de-Beauce) 68,00 Pont du chemin de fer (Vallée-Jonction) 59,56 Pont de la route 112 (Vallée-Jonction) 58,99

Pont de la route 216 (Sainte-Marie) 48,30

Pont de la rue du pont (171) (Scott) 39,31 Amont du pont de la route 218 (Saint-Lambert-De-Lauzon) 21,76

Chapitre 2 —Modélisation de la migration du

pétrole

2.1 État de l’art

2.1.1 Généralité sur les hydrocarbures

Les hydrocarbures proviennent de la matière organique fossilisée en l’absence d’oxygène. Ils sont principalement composés de carbone (C) et d’hydrogène (H) dans des proportions définies. Ils sont formés d’alcanes saturés aliphatiques et alicycliques, d’aromatiques monocycliques (BTEX : benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), de certains composés polaires (résines et asphaltènes) et de métaux. Les proportions de ces différents composés dépendent de l’origine de l’hydrocarbure ainsi que du raffinage du pétrole brut (CEAEQ, 2015). Les hydrocarbures peuvent être classés en fonction de l’organisation moléculaire et ce classement est représenté à la Figure 5 (Goeury, 2012).

Figure 5. Classement des hydrocarbures (Goeury, 2012)

Sur la Figure 5, les rectangles bleus représentent les hydrocarbures qui sont toxiques et les rectangles blancs ceux qui ne le sont pas. Parmi les hydrocarbures toxiques, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont plus toxiques que les aliphatiques et les naphtènes. En effet, les HAP sont très nocives pour les humains en raison de leur fort potentiel mutagène et cancérigène (Goeury, 2012). Les HAP sont les seuls, lors

d’un déversement, qui vont interagir avec l’environnement en raison de leur solubilité (Goeury, 2012). Les hydrocarbures lors d’un déversement dans un milieu aquatique vont se propager sous l’influence de différents processus de transport horizontaux et verticaux. Ils seront soumis à différents processus qui vont modifier leurs caractéristiques physicochimiques en fonction de la température de l’eau (CEAEQ, 2015). La connaissance de ces différents processus est donc primordiale afin de modéliser un déversement de pétrole.

2.1.2 Les modes de transport de la matière

Parmi les principaux modes de transport des hydrocarbures dans l’environnement, on retrouve la diffusion, l’advection et la dispersion.

2.1.2.1 La diffusion

La diffusion est un processus pour lequel le transport, à un endroit donné, est causé par le mouvement aléatoire des particules. Il y a deux sortes de diffusion : la diffusion moléculaire et la diffusion turbulente. Lors de la diffusion moléculaire, les solutés migrent des zones de fortes concentrations vers les zones de faibles concentrations en raison de l’agitation thermique aléatoire du mouvement brownien (Gharbi, 1999). Le processus de diffusion moléculaire est souvent négligeable comparativement aux autres processus mis en jeux lors d’un déversement en raison du coefficient de diffusion moléculaire faible (Heureux, 2016). « La diffusion turbulente désigne le transport causé par la composante turbulente de l'écoulement » qui mène à la formation de tourbillons et à une déstabilisation de l’écoulement du fluide dans le temps et dans l’espace (Gharbi, 1999).

2.1.2.2 L’advection

L’advection est un processus de transport pour lequel l’eau, les matériaux et les particules sont transportés le long des lignes de courant de vitesses. La substance suit donc la même direction que l’écoulement et son taux est directement proportionnel à la vitesse (Gharbi, 1999).

2.1.2.3. La dispersion

La dispersion est le transport qui se produit en raison de la non-uniformité de la distribution de la vitesse. Les particules ne voyagent donc pas toutes, à la même vitesse, ce qui provoque de la dispersion (Gharbi, 1999). Le nuage de polluant est donc étiré dans toutes les directions.

2.1.3 Les processus d’altération

Cette section décrit les différents processus d’altération qui s’enclenchent lorsqu’un hydrocarbure est déversé dans la rivière. Parmi les processus d’altération, on retrouve : l’étalement, l’évaporation, la dissolution, l’émulsification, la photo-oxydation et la biodégradation. La composition physicochimique des hydrocarbures et

les conditions environnementales du milieu récepteur vont dicter l’importance de ces différents processus lors d’un déversement (CEAEQ, 2015).

2.1.3.1 L’étalement

Lorsqu’un hydrocarbure est déversé dans un milieu aquatique, il commence à s’étaler en surface. La viscosité des hydrocarbures, le volume déversé et les conditions du milieu telles la température et la vitesse du courant sont tous des facteurs qui influencent la vitesse de l’étalement (CEAEQ, 2015). Ce processus est important puisqu’il influence d’autres processus de transformation telles que l’évaporation et la dissolution en augmentant leurs surfaces d’échange. L’étalement est un processus qui met en jeux les forces gravitationnelles, les forces de tension de surface, les forces de viscosité et les forces d’inertie (Goeury, 2012). 2.1.3.2 L’évaporation

L’évaporation est un processus de transport important puisqu’il tend à réduire la toxicité du pétrole brut lors des deux premiers jours suivant le déversement d’un hydrocarbure dans l’eau. Ce processus dépend fortement de la nature de l’hydrocarbure (densité, viscosité) qui est rejeté dans l’environnement (Goeury, 2012). Les constituants de faibles poids moléculaires s’évaporent avec le temps tandis que le pétrole brut résiduel devient plus dense et plus visqueux (Stantec, 2016). L’évaporation est plus importante lorsque la température du milieu, la vitesse du vent et la surface de la nappe augmentent (Goeury, 2012 ; Stantec, 2016).

2.1.3.3 La dissolution

Lors d’un déversement d’hydrocarbures dans l’eau, une très faible quantité d’hydrocarbures peut se dissoudre dans l’eau. De plus, ce sont les composés les plus toxiques qui sont les plus solubles dans les milieux aquatiques (Goeury, 2012). La dissolution est un paramètre qui augmente lorsque le poids moléculaire et la salinité diminuent et lorsque la température et la concentration de matières organiques dissoutes augmentent. (Stantec, 2016). La description de ce processus est difficile et complexe puisque beaucoup de composantes constituent un hydrocarbure (Goeury, 2012).

2.1.3.4 L’émulsification

L’émulsification est un processus qui consiste à incorporer des gouttelettes d’eau dans les hydrocarbures (CEAEQ, 2015). Lors de cette émulsification, les caractéristiques de la nappe changent au niveau du volume, de la viscosité et de la densité qui tend vers celle de l’eau (Goeury, 2012).

2.1.3.5. La photo-oxydation

Le processus de photo-oxydation consiste à l’oxydation de la nappe sous l’effet du rayonnement solaire. Lors de ce processus, la structure chimique des composés d’hydrocarbures est modifiée, ce qui peut rendre les

constituants du pétrole brut plus solubles et plus toxiques que ceux d’origine (Stantec, 2016). Ce processus est plus important à long terme plutôt que quelques heures après le déversement (Goeury, 2012).

2.1.3.6 La biodégradation

La biodégradation du pétrole par des micro-organismes présents dans l’eau est un processus à long terme (Goeury, 2012). Les microorganismes en utilisant les hydrocarbures comme source d’énergie vont se recoloniser et proliférer avec le temps. La biodégradation est plus difficile avec des constituants de poids moléculaires élevés et elle exige des nutriments et de l’oxygène sans quoi elle se produira plus lentement (Stantec, 2016).

2.1.4 Détermination de la dispersion d’un polluant dans une rivière

2.1.4.1 Zone de dispersion

Lors du rejet d’un constituant au centre d’une section transversale d’une rivière, il y a trois zones de mélange qui se produisent. Il s’agit de la zone de mélange initial, de la zone de mélange complet et de la zone du champ lointain (Meddah, 2016/2017). La longueur entre ces zones dépend de la géométrie de la rivière, du débit et de la manière dont le constituant est injecté dans la rivière (Figure 6) (Meddah, 2016/2017).

Figure 6. Zones de mélange (Meddah, 2016/2017).

2.1.4.1.1 Zone de mélange initiale

La longueur de la zone de mélange initiale débute au point d’injection jusqu’à l’endroit où la diffusion verticale devient homogène sur toute la profondeur de l’eau. Dans cette section, le phénomène de dispersion a lieu

dans toutes les directions, soit verticalement vers la profondeur de l’eau, transversalement dans le sens de la largeur de la rivière et longitudinalement dans le sens de l’écoulement (Meddah, 2016/2017).

2.1.4.1.2 Zone de mélange complet

La longueur de la zone de mélange complet débute à la fin de la zone de mélange initial et s’étend jusqu’à ce que la diffusion transversale soit homogène sur toute la largeur du plan d’eau. Dans cette zone, puisque la diffusion verticale est terminée, le phénomène de dispersion a lieu dans deux directions, soit transversalement et longitudinalement (Meddah, 2016/2017).

2.1.4.1.3 Zone du champ lointain

Cette zone débute à la fin de la zone précédente et s’étend jusqu’à l’infini. Dans cette zone, il ne reste plus que la dispersion longitudinale puisque la diffusion verticale et transversale est terminée (Meddah, 2016/2017). Le phénomène de dispersion lorsqu’un polluant est rejeté dans une rivière peut être décrit par l’équation d’advection-diffusion. Cette équation permet d’étudier l’évolution des polluants dans le champ lointain. 𝜕𝑐 𝜕𝑡+ 𝑈 𝜕𝑐 𝜕𝑥= 𝐷𝐿 𝜕2_𝑐 𝜕𝑥2 Équation 1. Advection-diffusion Où

DL : le coefficient de dispersion longitudinale (m2/s);

U : la vitesse moyenne de l’écoulement (m/s); c : la concentration massique (g/m3_);

t : le temps (s);et

x : la distance dans la direction longitudinale (m).

Dans la zone du champ lointain, la vitesse est remplacée par la vitesse moyenne, de sorte que sa variation à travers la section transversale soit le principal mécanisme de dispersion longitudinale.

Les caractéristiques de la dispersion sont uniques à chaque rivière et dépendent de la vitesse de l’écoulement, du coefficient de dispersion longitudinale et de la longueur du mélange (Meddah, 2016/2017).

2.1.4.2 Longueur du mélange

La longueur du mélange correspond à la distance entre le point de déversement et l’endroit où les concentrations sont homogènes à travers une section transversale de la rivière. La longueur de mélange délimite la zone de mélange complet et la zone du champ lointain. La longueur dépend du point de rejet et des

paramètres hydrodynamiques du cours d’eau. La longueur de mélange peut être déterminée avec des équations empiriques (Meddah, 2016/2017).

Détermination empirique

Ils existent de nombreuses formules qui permettent de déterminer empiriquement la longueur de mélange (Lm). Parmi celles-ci, on retrouve l’équation de Hull, de Day, de Beltaos, d’André et de Rutherford (Meddah, 2016/2017) : 𝐿𝑚 = 𝑎1𝑄 1 3 Équation 2. Hull 𝐿𝑚 = 25𝑏 Équation 3. Day 𝐿𝑚= 1,8𝑏2𝑢 ℎ𝑢∗ Équation 4. Beltaos 𝐿𝑚 = 𝑎2𝑏𝑄 1 3 Équation 5. André 100𝑏 < 𝐿𝑚 > 300𝑏 Équation 6. Rutherford Où Lm : la longueur de mélange (m);

a1 : le coefficient qui dépend de la position du rejet (s1/3) ;

a2 : le coefficient qui dépend des caractéristiques géométriques et hydrauliques du cours d’eau (s1/3);

b : la largeur de la rivière (m); u* : la vitesse de cisaillement (m/s) h : la profondeur d’écoulement (m);et Q : le débit du cours d’eau (m3_/s).

2.1.4.3. Coefficient de dispersion longitudinale

La dispersion dans le champ lointain est basée sur la dispersion longitudinale puisque la diffusion verticale et transversale est terminée. Pour réaliser la modélisation de suivi de pétrole, le coefficient de dispersion longitudinale doit être connu. Le coefficient va permettre de mesurer la capacité de la rivière à disperser cette substance dans la direction longitudinale. Les méthodes qui permettent d’obtenir le coefficient de dispersion

longitudinale sont la méthode de l’intégrale, la méthode expérimentale par des essais au traceur et la méthode empirique.

Résolution de l’intégrale

En 1967, Fischer a développé l’approche d’intégration pour déterminer le coefficient de dispersion longitudinale : 𝐷𝑙 = −1 𝐴 ∫ ℎ𝑢′ ∫ 1 𝜀𝑡ℎ ∫ ℎ𝑢′𝑑𝑦𝑑𝑦𝑑𝑦 𝑦 0 𝑦 0 𝑏 0

Équation 7. Dispersion longitudinale (Zeng et Huai, 2014)

Où

A : l’aire de la section (m2_);

u ’: la déviation de la vitesse locale (u) par rapport à la vitesse moyenne (U) à travers la section latérale de la rivière;

y : la coordonnée latérale le long de la section transversale (m);et 𝜀𝑡 : le coefficient de mélange transversal local (m2/s).

La résolution de l’intégrale de l’Équation 7 demande des connaissances sur le profil transversal des vitesses et sur la géométrie de la section.

Détermination expérimentale

La méthode expérimentale par des essais au traceur consiste à injecter une quantité de traceur à un endroit sur la rivière et à mesurer leur concentration à différents endroits en aval du point de rejet. Par la suite, le graphique de la concentration du traceur en fonction du temps peut être obtenu et des méthodes statistiques peuvent être utilisées pour estimer le coefficient de dispersion. Les méthodes statistiques sont: la méthode des moments, la méthode de Chatwin, la méthode « Routing procedure » et la méthode de transport diffusif.

1. Méthode des moments

L’Équation 8 permet d’obtenir le coefficient de dispersion longitudinale par la méthode des moments : 𝐷𝐿,𝑖 =

1 2𝑈𝑖

2𝜎2𝑡 𝑖 − 𝜎2𝑡 (𝑖−1) 𝑡̅𝑖− 𝑡̅𝑖−1

Équation 8. Des moments (Meddah, 2016/2017).

Où

𝜎2𝑡 : la variance temporelle (s2);

𝑡̅ : le temps de passage de la concentration (s);et i : le point de la station.

La variance, le temps de passage de la concentration ainsi que la vitesse moyenne en amont de chaque station sont obtenus avec les Équations 9 à 11 :

𝜎2 𝑡 𝑖 = ∫ (𝑡 − 𝑡̅𝑖)2 +∞ 0 ∙ 𝑐(𝑡)𝑑𝑡 ∫₀+∞𝑐(𝑡)𝑑𝑡

Équation 9. La variance (Meddah, 2016/2017).

𝑡̅𝑖 =

∫₀+∞𝑡 ∙ 𝑐(𝑡)𝑑𝑡 ∫₀+∞𝑐(𝑡)𝑑𝑡

Équation 10. Le temps de passage de la concentration (Meddah, 2016/2017).

𝑈𝑖 =

𝑥𝑖− 𝑥𝑖−1 𝑡̅𝑖− 𝑡̅𝑖−1

Équation 11. La vitesse moyenne de l’écoulement (Meddah, 2016/2017).

Où

xi : la distance entre la station i et le point de déversement (m);

c(t) : la concentration massique au temps t (g/m3_);et

j : le pas de temps.

2 Méthode de Chatwin

L’utilisation de la méthode de Chatwin pour déterminer le coefficient de dispersion longitudinale se fait avec l’Équation 12.

√𝒕 𝑰𝒏

𝑴

𝑨𝒄(𝒙, 𝒕)√𝟒 𝝅𝑫

𝒕

=

𝒙 − 𝑼𝒕

𝟐√𝑫

Équation 12. Chatwin (Meddah, 2016/2017).

Où

𝑀 𝐴√4 𝜋𝐷𝐿

≈ 𝑐𝑚𝑎𝑥√𝑡𝑝 𝑡𝑝 : le temps associé à la concentration maximale (s);

𝑐𝑚𝑎𝑥 : la concentration maximale (g/m3);et

M : la masse de la substance injectée (g).

3. Méthode de « Routing procedure »

𝑐(𝑥2, 𝑡2) = ∫ 𝑐(𝑥1, 𝑡1) +∞ −∞ 𝑒𝑥𝑝 |−[𝑈(𝑡̅2− 𝑡̅1− 𝑡2+ 𝑡1)]2 4𝐷𝐿(𝑡̅2− 𝑡̅1) | √4 𝜋 𝐷𝐿(𝑡̅2− 𝑡̅1) 𝑈𝑑𝑡 Équation 13. ‘Routing procedure’ (Meddah, 2016/2017).

Où

x1 : la distance du premier profil temporel des concentrations connu (m);

x2 : la distance du deuxième profil temporel des concentrations (m);

t̅1 : le temps de passage de la concentration au premier profil (s);

t̅2 : le temps de passage de la concentration au deuxième profil (s);

t1 : le temps du premier profil (s); et

t2 : le temps du deuxième profil (s).

4. Méthode de transport diffusif

La méthode de transport diffusif se base sur la mesure du transport diffusif à travers une section du cours d’eau. Cette méthode ne peut pas s’appliquer au cours d’eau naturel en raison de la difficulté à obtenir la valeur des paramètres à travers la section (Meddah, 2016/2017).

𝐷𝐿= − (𝐴 1 𝑢 𝜕𝑐 𝜕𝑡) −1 ∑(𝑢𝑖− 𝑢) 𝑁 𝑖=1 𝐴𝑖(𝑐𝑖− 𝑐𝑡) 𝑐𝑡= 1 𝐴∑ 𝑐𝑖𝐴𝑖 𝑁 𝑖=1

Équation 14. Transport diffusif (Meddah, 2016/2017).

Où

Ai : l’aire des sous-sections (m2);

N : le nombre de sous-sections; ui : la vitesse d’une sous-section (m/s);

ci : la concentration d’une sous-section (g/m3);et

ct : la concentration du polluant à travers la section totale (g/m3).

Détermination empirique

Il existe plusieurs équations pour déterminer le coefficient de dispersion longitudinale qui dépendent des caractéristiques géométriques et dynamiques du cours d’eau (Meddah, 2016/2017). Chaque équation empirique considère les aspects naturels du milieu pour lesquels elles ont été créées. Il devient alors difficile de trouver l’équation qui représentera le mieux la dispersion dans la rivière Chaudière. Les différentes équations empiriques sont présentées au Tableau 5. Pour obtenir la bonne équation, l’ensemble de ces équations seront utilisées pour obtenir une valeur de coefficient. Les valeurs obtenues seront par la suite

Tableau 5. Équations pour déterminer le coefficient de dispersion longitudinale (Zeng et Huai, 2014).

Année Auteur Milieu Formule

1959 Elder Canaux très larges 𝐷𝑙 = 5,93ℎ𝑢∗

1967 Fischer Canaux naturels larges

𝐷𝑙= 0,011 𝑏2𝑈2 ℎ𝑢∗ 1977 Liu 𝐷𝑙 = 0,18 ( 𝑈 𝑢∗) 0,5 (𝑏 ℎ) 2 ℎ𝑢∗

1991 Iwasa & Aya Canaux et cours d’eau

naturels 𝐷𝑙 = 2 (

𝑏 ℎ)

1,5 ℎ𝑢∗

1998 Seo & Cheong Cours d’eau naturels

𝐷𝑙 = 5,92 ( 𝑏 ℎ) 0,62 (𝑈 𝑢∗) 1,43 ℎ𝑢∗ 1998 Li et al. (1) 𝐷_𝑙 =0,55𝑏𝑢 ∗ ℎ2 (2) 𝐷_𝑙= 0,2 (𝑈 𝑢∗) 1,2 (𝑏 ℎ) 1,3 ℎ𝑢∗

1998 Koussis & Rodriguez-Mirasol Cours d’eau naturels

𝐷𝑙 = 0,6 ( 𝑏 ℎ) 2 ℎ𝑢∗ Canaux naturels b/h >50 𝐷𝑙 = 10. ,12ℎ𝑈 ( 𝑈 𝑢∗) Canaux naturels b/h < 50 𝐷𝑙 = [7,428 + 1,775 ( 𝑏 ℎ) 0.,2 (𝑈 𝑢∗) 0,572 ] ℎ𝑢 (𝑈 𝑢∗) 2012 Zeng et Huai 𝐷𝑙 = 5,4 ( 𝑏 ℎ) 0,7 (𝑈 𝑢∗) 0,13 ℎ𝑈

Une fois le coefficient de dispersion obtenu, il existe de nombreux logiciels qui peuvent être utilisés pour modéliser la dispersion des hydrocarbures dans un cours d’eau.

2.1.5 Description des logiciels de modélisation de suivi de pétrole

Il y a de nombreux outils et logiciels qui sont en mesure de modéliser le transport des hydrocarbures dans les cours d’eau et ainsi faciliter l’intervention des responsables lors d’un déversement. Cette section présente une description de ces logiciels.

2.1.5.1 POLDER

Le modèle POLDER a été développé et mis au point par le SOGREAH ingénieurs-Conseils et il permet de simuler la dispersion d’un polluant dans les rivières en cas d’une déversement accidentel (Holly et all., 1990).

2.1.5.2 TELEMAC

Le système hydro-informatique TELEMAC a été développé par le Laboratoire National d’Hydraulique et Environnement (LNHE) de la Direction des Recherches et Développements d’Électricité de France (EDF), dès 1987. Ce logiciel résout les équations de Saint-Venant à deux dimensions. De plus, un outil d’aide à la décision en cas de dérive de nappe d’hydrocarbure a été développé dans la plate-forme du logiciel TELEMAC dans le cadre du projet de recherche MIGR’HYCAR (Goeury, 2012).

2.1.5.3 AQUATOX

Le logiciel AQUATOX a été développé par l’Agence américaine de protection de l’environnement (US EPA). Il est un modèle de gestion des risques environnementaux puisqu’il peut prédire le sort de divers polluants ainsi que leurs effets sur l’écosystème. Les mécanismes hydrauliques sont faits de manière simple. Ce logiciel est adapté principalement aux eaux stagnantes telles les lacs et les cours d’eau de faible variabilité morphologique (Guilloux et all, 2010).

2.1.5.4 MARCARET

Le logiciel Marcaret est un code qui a été développé par l’unité de recherche commune à EDF R&D et le Centre d’étude Techniques Maritimes et Fluviales (CETMEF). Il permet la modélisation hydraulique 1D à surface libre basée sur les équations de Saint-Venant. Il contient un module complémentaire pour les simulations de l’évolution de traceurs passifs (Guilloux et all, 2010).

2.1.5.5 HEC-RAS

Le logiciel HEC-RAS a été développé par le US Army Corps of Engineers. Ce logiciel permet de simuler les écoulements à surface libre dans les rivières. Il évalue les hauteurs d’eau à partir des débits en tenant compte de