Développement d'une méthodologie afin d'intégrer et de valoriser
l'information spatio-temporelle sur la qualité de l'eau à l'échelle d'un
bassin versant
Un exemple d’application à la protection des sources d’eau potable
Mémoire
Julia Cyr-Gagnon
Maîtrise en aménagement du territoire et développement régional
Maître en aménagement du territoire et développement régional (M.ATDR)
Québec, Canada
© Julia Cyr-Gagnon, 2017
Développement d'une méthodologie afin d'intégrer et de valoriser
l'information spatio-temporelle sur la qualité de l'eau à l'échelle d'un
bassin versant
Un exemple d’application de protection des sources d’eau potable
Mémoire
Julia Cyr-Gagnon
Sous la direction de :
iii
Résumé
La gestion intégrée des ressources en eau par bassin versant requiert de bonnes connaissances du territoire à l’étude afin d’inclure le suivi de la qualité de l’eau de la « source au robinet » dans la planification territoriale. Un accès efficace à tout type de données relatives à la qualité de l’eau, incluant l’occupation du sol et les risques (impacts anthropiques, environnementaux, etc.), permettrait aux intervenants de divers milieux de prendre en considération le portrait complet des informations disponibles pour une prise de décision éclairée. Inventorier, assembler, analyser et interpréter les données peut représenter un défi supplémentaire lorsque les informations à colliger proviennent de sources différentes, tout particulièrement pour les organismes de bassins versants (OBV) et les petites municipalités qui n’ont pas toujours les moyens d’avoir des spécialistes en gestion de bases de données et en systèmes d’information géographique (SIG). Ce projet de maîtrise porte sur le développement d’un cadre méthodologique concernant l’acquisition, la gestion et l’utilisation des données relatives à la qualité de l’eau dans les bassins versants où existent des prises d’eau potable.
Après une étude approfondie des exigences gouvernementales concernant la protection des sources, il sera question d’optimiser la gestion des données en concordance avec le Règlement sur le prélèvement des eaux et leur protection (RPEP) du Québec. Dans un contexte où de nombreuses municipalités du Québec doivent répondre aux exigences du RPEP d’ici 2021, un logiciel spécialisé en gestion des données sur la qualité de l’eau a été adapté afin d’aider les gestionnaires de la ressource en eau qui ont le mandat de répondre au RPEP. Ce projet permettra d’optimiser le processus d’acquisition et de traitement de l’information requise (eau et territoire) pour l’évaluation de la vulnérabilité des prises d’eau potable. L’évaluation de la vulnérabilité des prises d’eau potable est une démarche fondamentale de la protection des sources d’eau et de l’harmonisation de cette dernière avec l’occupation du territoire. La méthodologie développée pour une étude de cas dans les Laurentides montréalaises est applicable à d’autres bassins versants du Québec et d’ailleurs.
iv
Table des matières
Résumé ... iii
Table des matières ... iv
Liste des figures (article) ... v
Liste des tableaux (article) ... v
Liste des annexes ... v
Remerciements ... vi
Avant-Propos ... vii
Chapitre 1 : ... 1
1. Problématique et état des connaissances ... 1
1.1. La gestion intégrée des ressources en eau ... 1
1.2. L’approche à barrières multiples ... 1
1.3. La protection des sources d’eau potable au Québec ... 3
1.4. Les organismes de bassins versants (OBV) ... 4
1.5. La gestion de l’information : un défi technique pour la protection des sources ... 6
Objectifs de la recherche ... 10
Chapitre 2 : ... 11
2. Optimizing Data Management for Municipal Source Water Protection ... 11
Abstract ... 11 Résumé ... 12 2.1. Introduction ... 13 2.2. Methodology ... 17 2.3. Results ... 20 2.4. Discussion ... 34 2.5. Conclusions ... 36 Acknowledgements ... 36 References ... 37
Conclusion générale et recommandations ... 39
Annexes ... 41
v
Liste des figures (article)
Figure 1: Process flowchart for source water protection ... 14
Figure 2: Saint-Jérôme municipal surface water intake watershed. ... 18
Figure 3: Example of a technical description for a sampling point ... 22
Figure 4: Sampling point contextualization ... 23
Figure 5: Inconsistencies in watershed boundaries data ... 26
Figure 6: Inconsistencies between protection zones. The intermediate protection zone is not totally included in the outer protection zone. ... 28
Figure 7: Report export from selected parameters ... 30
Figure 8: Screen image of Enki observations report data download tool. Observations reports are exportable as a tabular document and based on selected contexts ... 31
Figure 9: Importing sampling protocols to a project ... 32
Figure 10: Identifying water quality parameters as a multi-choice ... 33
Liste des tableaux (article)
Table 1: Case study data source ... 19Table 2: Attributes names in Enki and comparisons examples ... 20
Table 3: WWPR surface source protection area description ... 24
Liste des annexes
Annexe 1 : Affiche présentée lors du Rendez-vous international sur l'eau, Novembre 2016. Québec, Canada41 Annexe 2 : Affiche présentée lors de Blue Cities, Mai 2017. Toronto, Canada ... 42vi
Remerciements
Afin d’introduire ce mémoire, je tiens à remercier les personnes qui m’ont apporté leur aide et qui ont contribué à la réussite de ma maîtrise durant ces deux dernières années.
Tout d’abord, je tiens à remercier sincèrement M. Manuel J. Rodriguez-Pinzon, en tant que directeur de mémoire, qui s’est toujours montré très disponible et à l’écoute tout au long de ces deux années de recherche, en plus de m’avoir encouragé et orienté afin de pouvoir produire ce qu’il y a de plus pertinent.
Je tiens également à exprimer une reconnaissance spéciale à Sonja Behmel et l’équipe de WaterShed Monitoring pour leurs précieux conseils et leur temps consacré à mon projet.
Ce projet a été possible grâce au financement du Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies (FRQNT) et la Chaire de recherche en eau potable de l’Université Laval (CREPUL).
Je voudrais remercier mes évaluateurs pour leurs excellentes suggestions qui ont enrichi la qualité de mon mémoire. Je désire aussi remercier le MDDELCC et tout particulièrement Mesdames Anouka Bolduc, Caroline Robert et Catherine Mercier-Shanks pour leur temps et collaboration qui m’ont grandement aidé durant ma recherche. Ce projet n’aurait pas été possible sans l’aide et tout le temps des membres de l’organisme de bassin versant de la Rivière du Nord (Abrinord) ainsi que le partenaire de la Chaire de recherche en eau potable, la Ville de Saint-Jérôme. Merci à Simon Brisebois, Alain Quintin, Cynthia Gagnière, Audrey Beaudoin-Arcand, Marie-Claude Bonneville, Isabelle Marcoux.
L’achèvement de mon mémoire a été possible grâce à l’aide de nombreux collègues. Un merci tout spécial à David Correia, Marie-Pier Bresse, Jérôme Cerutti (tout particulièrement pour son talent de graphiste d’affiches scientifiques), Guillaume B.-Côté, Christelle Legay, Anthony Dénervaud, Anne-Sophie Drolet pour leur support technique et moral. Pour toute l’aide administrative, merci à Francine Baril, Willem Fortin et Lyne Béland.
La poursuite académique ne serait possible sans l’aide précieuse de mes parents et famille. Tout particulièrement, mes parents, grâce à leurs encouragements et leur support, me permettent d’aboutir mes rêves et projets. Je ne pourrais jamais les remercier suffisamment !
Enfin, j'adresse mes plus sincères remerciements à tous mes proches et amis, qui m'ont toujours soutenue et encouragée au cours de la réalisation de ce mémoire. Merci à tous et à toutes.
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Avant-Propos
Le présent mémoire est structuré en deux principaux chapitres : le premier chapitre présente une introduction globale du mémoire, explique la problématique de la recherche et contextualise le cadre conceptuel. En effet, ce chapitre donne un aperçu de la protection des sources d’eau potable, présente la nouvelle réglementation du Québec en la matière (Règlement sur le prélèvement des eaux et la protection), discute de l’enjeu de la gestion des données pour caractériser la ressource eau à l’échelle du bassin versant en vue de la protection des sources et présente les outils disponibles pour les gestionnaires de l’eau responsables d’appliquer la réglementation.
Le deuxième chapitre, constituant le corps principal du mémoire, est un article scientifique intitulé Optimizing Data Management for Municipal Source Water Protection. Il propose une démarche pour utiliser de manière efficace et sûre l’information disponible sur l’eau et sur le territoire pour répondre au cadre règlementaire de protection des sources. L’article présente la méthodologie utilisée dans le cadre de ce projet de recherche, les principales données utilisées, les résultats et leur interprétation, une discussion et une conclusion avec des recommandations. À des fins de publication, l’article a été rédigé en anglais afin d’atteindre une plus grande portée de lectorat.
L’auteure de ce mémoire est également l’auteure principale de l’article scientifique. Le coauteur Prof. Manuel J. Rodriguez-Pinzon (directeur de recherche, U. Laval) a aussi contribué à la révision de l’article et des affiches scientifiques. D’ailleurs, l’article sera soumis à la revue sélectionnée prochainement. Mme Behmel de WaterShed Monitoring, a également révisé certains textes dont les affiches scientifiques présentées en annexe.
Les annexes, quant à elles, présentent les deux affiches présentées dans le cadre des colloques suivants : - Rendez-vous international sur la protection des sources en novembre 2016 (Université Laval, Québec) ; - Blue Cities organisé par le Canadian Water Network en mai 2017 (Toronto, Canada).
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Chapitre 1 :
1. Problématique et état des connaissances
1.1.
La gestion intégrée des ressources en eau
Depuis le Conseil mondial de l’eau en 2000, tenu à La Haye, la gestion intégrée des ressources en eau par bassin versant (GIEBV) est un modèle dominant à l’échelle internationale. Les pays présents, dont le Canada, se sont entendus pour reconnaitre le bassin versant comme la délimitation territoriale la plus appropriée pour la gestion de la ressource eau (Lasserre et Descroix, 2011). Les besoins de l’humain envers la nature se matérialisent à différentes échelles, car la circulation de l’eau et de ses contaminants ne connait pas les limites territoriales. Le bassin versant ou bassin hydrographique est défini comme une :
« Portion de territoire délimitée par des lignes de crête, dont les eaux alimentent un exutoire commun (cours ou plan d’eau, mer). La ligne séparant deux bassins versants adjacents est une ligne de partage des eaux » (Brun et Lasserre, 2012, p. 2).
La GIEBV représente un défi majeur pour arrimer les besoins des usagers de l’eau et des gestionnaires du territoire. Cette nouvelle approche a été considérée à travers les politiques publiques de chacun des pays présents et nécessite de bonnes connaissances du territoire à l’étude afin d’inclure le suivi de la qualité de l’eau de la source au robinet dans la planification territoriale. Pour prendre une décision éclairée, les gestionnaires de bassin versant doivent avoir accès à des données fiables et pérennes. Pour être efficace, la GIEBV nécessite l’intégration de plusieurs types de données concernant la qualité physique, chimique et microbiologique de l’eau ainsi que des informations sur le territoire incluant les usages du sol, la topographie, le climat et toutes données relatives qui pourraient faciliter le travail des gestionnaires afin de comprendre les réalités du terrain.
1.2.
L’approche à barrières multiples
Suite aux recommandations du Conseil mondial de l’eau en 2000 et aux épisodes de contamination de l’eau potable de Walkerton (Ontario) en 2000 et à North Battleford (Saskatchewan) en 2001, l’approche à barrières multiples pour de l’eau potable saine a été adoptée au Canada depuis le 16 mai 2002. Le Conseil canadien des ministres de l’Environnement (CCME) établit cette approche qui vise à assurer les approvisionnements en eau potable en incluant la protection de la source d’eau potable jusqu’au robinet. Selon le CCME, l’approche à barrières multiples consiste en :
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« un système intégré de procédures, de processus et d'outils qui collectivement empêchent ou réduisent la contamination de l'eau potable, de la source au robinet, afin de réduire les risques pour la santé publique» (CCME, 2002, p.18).
Ainsi, on doit désormais établir un suivi rigoureux de la qualité de l’eau depuis la source jusqu’au robinet. Avant cette approche, les efforts des gestionnaires de la ressource eau étaient surtout concentrés sur le traitement de l’eau brute et la distribution jusqu’aux citoyens (CCME, 2004). Avec l'approche à barrières multiples, il faut considérer comme un ensemble les composantes du système d'approvisionnement en eau : de la protection des sources, au traitement et à la distribution de l'eau potable aux consommateurs. Le principe de protection des sources correspond à la première étape de la mise en œuvre de l’approche à barrières multiples, qui vise à réduire ou prévenir la contamination de l’eau potable. Le traitement efficace de l’eau est un autre élément clé de cette approche, mais il faut savoir que traiter une eau de mauvaise qualité nécessite des ressources techniques et financières importantes (Peckenham et al., 2005 ; Abell et al., 2017). Malheureusement, il n’y a aucune approche qui garantit une protection à 100 % en tout temps (CCME, 2002), c’est pourquoi la protection des sources permettrait de prévenir certains impacts nuisibles pour la santé.
Le principe de protection des sources est fondé sur la gestion par bassins versants, car elle exige une gestion intégrée entre les différents usagers afin de réduire au minimum les sources de contamination potentielle et peut-être même diminuer la quantité de produits utilisés pour le traitement de l’eau (MDDELCC, 2015). Il est fondamental de bien connaitre le territoire du bassin versant, de le caractériser, pour identifier les sources de contamination potentielle en amont de la prise d’eau et pour mieux protéger les sources d’eau potable des municipalités (Wienand et al., 2009 ; Abell et al., 2017). De plus, le captage de l’eau de surface à des fins de consommation humaine nécessite plusieurs traitements avant la distribution aux citoyens selon les niveaux de contamination de la source et selon la variabilité temporelle et saisonnière de la qualité de l’eau. Protéger la source, c’est bien la caractériser afin de réduire les risques de contamination (Kebo et Bunch, 2013; Abell et al., 2017). Inclure le principe de protection des sources dans le cadre législatif de l’eau est la responsabilité des gouvernements provinciaux. En effet, au Canada, c’est le palier provincial qui doit assumer la protection de la qualité de l’eau et qui doit élaborer la réglementation des services liés à l’eau potable (CCME, 2002). En adoptant l’approche à barrières multiples pour de l’eau potable saine au Canada, on inclut également les principes de GIEBV. C’est dans ce contexte que plusieurs gouvernements, dont celui du Québec, orientent leur cadre législatif de l’eau en incluant la protection des sources, et ce pour compléter la réglementation sur la qualité de l’eau potable.
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1.3.
La protection des sources d’eau potable au Québec
Au Québec, depuis la Politique nationale de l’eau en 2002 – ci-après « PNE » – (Gouvernement du Québec, 2002a), ce sont les organismes de bassins versants (OBV) qui se voient mandater d’assurer la mise en œuvre du GIEBV. La Loi affirmant le caractère collectif des ressources en eau et visant à renforcer leur protection a été adoptée le 11 juin 2009 et encadre les différents mécanismes prévus pour assurer la gouvernance de l’eau ainsi que les mandats pour les organismes chargés d’appliquer la GIEBV (Gouvernement du Québec, 2009). Cette loi vient concrétiser, grâce à des mesures de mise en œuvre, les intentions prévues dans la PNE.
Afin de renforcer son cadre législatif concernant la protection des sources d’eau potable, au Québec, le Règlement sur le prélèvement des eaux et leur protection (chapitre Q-2, r. 35.2, ci-après « RPEP ») est entré en vigueur le 14 août 2014 et prévoit de nouveaux régimes d’autorisation pour les prélèvements d’eau souterraine et de surface (Gouvernement du Québec, 2014). Ce nouveau règlement, RPEP, destiné principalement à encadrer les municipalités pour protéger leurs sources d’eau potable souterraines et de surface vise également à dresser un inventaire des éléments susceptibles d’affecter la qualité ou la quantité des eaux exploitées et d’en déterminer la vulnérabilité. Le RPEP vient remplacer le Règlement sur le captage des eaux souterraines (chapitre Q 2, r.6, ci-après « RCES ») et complète la Loi affirmant le caractère collectif des ressources en eau (chapitre C-6.2, a. 33, 34 et 35).
Le Règlement sur le captage des eaux souterraines (Gouvernement du Québec, 2002b) imposait la délimitation d’aires de protection (bactériologique et virologique) autour des ouvrages de captages pour les prélèvements dans les eaux souterraines. La délimitation d’aires de protection est renforcée dans le RPEP, avec notamment l’ajout d’une aire de protection supplémentaire pour les eaux souterraines (aire de protection éloignée) et la mise en place d’aires de protection pour les eaux de surface (immédiate, intermédiaire et éloignée). Tout particulièrement, l’établissement des aires de protection pour les eaux de surface est décrit aux articles 70, 72 et 74 du RPEP1. La méthode à utiliser pour déterminer la vulnérabilité d’un prélèvement d’eau de surface est décrite à l’article 69 ainsi qu’en annexe IV du RPEP et est évaluée pour les six indicateurs suivants : vulnérabilité physique du site de prélèvement ; vulnérabilité aux micro-organismes ; vulnérabilité aux matières fertilisantes ; vulnérabilité à la turbidité ; vulnérabilité aux substances inorganiques ; vulnérabilité aux substances organiques.
1 L’article 70 du RPEP décrit la délimitation de l’aire de protection immédiate pour un prélèvement d’eau de surface de catégorie 1 ou 2
et les distances à respecter s’il est situé dans un lac, un cours d’eau ou le fleuve Saint-Laurent. Ces distances, le cas échéant, peuvent inclure des portions des tributaires ainsi qu’une bande de terre de 10 mètres calculée à partir de la ligne des hautes eaux.
L’article 72 du RPEP décrit la délimitation de l’aire de protection intermédiaire pour un prélèvement d’eau de surface de catégorie 1 ou 2 et les distances à respecter s’il est situé dans un lac, un cours d’eau ou le fleuve Saint-Laurent. Ces distances, le cas échéant, peuvent inclure des portions des tributaires ainsi qu’une bande de terre de 120 mètres calculée à partir de la ligne des hautes eaux.
L’article 74 du RPEP décrit la délimitation de l’aire de protection éloignée pour un prélèvement d’eau de surface de catégorie 1 et correspond au territoire du bassin versant et peut inclure, le cas échéant, les limites de l’aire de protection intermédiaire du site de prélèvement situé en aval.
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L’article 75 du RPEP complète la démarche qui permet de déterminer la vulnérabilité d’un prélèvement d’eau de surface et implique l’intégration d’une multitude d’informations sur la caractérisation du site de prélèvement en plus de devoir dresser un inventaire des activités anthropiques, des affectations du territoire et des évènements potentiels qui sont susceptibles d’affecter la qualité et la quantité des eaux exploitées par le prélèvement. L’application de ces nouvelles obligations législatives pour les municipalités exige une vision d’ensemble de la planification territoriale à l’échelle du bassin versant. Les municipalités du Québec ont jusqu’en 2021 pour procéder à l’élaboration du rapport complet comprenant ces informations. Cependant, l’acquisition et le rassemblement des données et des informations nécessaires à l’élaboration du rapport final demeurent un défi majeur pour de nombreuses municipalités.
Le Guide de réalisation des analyses de la vulnérabilité des sources destinées à l’alimentation en eau potable au Québec (MDDELCC, 2015) permet d’accompagner les municipalités à appliquer le RPEP et d’établir une démarche d’analyse de la vulnérabilité pour un site de prélèvement d’eau. L’objectif du guide est d’uniformiser le rapport de vulnérabilité à envoyer au Gouvernement afin de comparer plus facilement les résultats des analyses pour chacun des territoires du Québec. Selon ce guide, la première étape à réaliser consiste à caractériser de façon sommaire le bassin versant du site de prélèvement et à dresser un portrait des informations disponibles pour ledit site. Cette étape permet de faire un état des lieux concernant les données historiques nécessaires pour l’application de l’article 75 (prélèvement d’eau de surface), en plus d’identifier les données manquantes. La démarche d’analyse de la vulnérabilité, telle que décrite par le guide, vise explicitement les municipalités qui doivent répondre au RPEP. Toutefois, considérer l’échelle du bassin versant comme limite territoriale, comme il est expliqué dans le guide, pourrait également nécessiter l’expertise de plusieurs autres gestionnaires de la ressource eau et qui agissent déjà à l’échelle du bassin versant, dont les organismes de bassins versants (OBV). Ainsi, ces derniers pourraient jouer un rôle stratégique pour accompagner les municipalités à répondre au RPEP.
1.4.
Les organismes de bassins versants (OBV)
Au Québec, le mandat des OBV est de favoriser la concertation entre les différents usagers de l’eau à l’échelle d’un bassin versant et d’élaborer un plan directeur de l’eau (PDE). Avec la PNE, le territoire du Québec a été divisé en zones de gestion intégrée de l’eau (ZGIE) par bassins versants avec un OBV correspondant au territoire à l’étude (Choquette et Létourneau, 2008). Les différents mandats des OBV sont décrits dans le cadre de référence pour les organismes de bassins versants (MDDEFP, 2012). Parmi les tâches à effectuer pour la réalisation de leurs mandats, chaque OBV est tenu d’inclure dans leur PDE les éléments suivants : un portrait du territoire, un diagnostic des enjeux, des orientations ainsi qu’un plan d’action pour leur territoire. En 2017, il existe au Québec 40 ZGIE et plusieurs associations pour la protection des lacs et rivières (ROBVQ, 2017). La
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rédaction des PDE requiert pour les OBV de rassembler une grande quantité d’informations, qualitatives et quantitatives, nécessaires à la caractérisation de la ressource eau et du territoire. L’information contenue dans les PDE pourrait donc être utile pour les municipalités afin de caractériser les sites de prélèvement d’eau pour l’application du RPEP. Plus précisément, compte tenu du travail réalisé pour élaborer les PDE et des riches bases de données qu’ils possèdent, il est raisonnable de croire que les OBV pourraient accompagner les municipalités à appliquer le RPEP et à établir la démarche de vulnérabilité pour un ou plusieurs sites de prélèvement d’eau sur leur territoire. En effet, les OBV sont tenus de dresser un portrait complet de leur bassin versant ; par ce fait, ils doivent dresser un inventaire des connaissances contenant les informations suivantes (Gangbazo, 2011) :
les fonctions des bassins versants ;
le climat, l’hydrologie et la géomorphologie ;
la topographie, la géologie et les sols ;
l’hydrogéologie et les eaux souterraines ;
les critères de qualité de l’eau de surface ;
les principaux usages de l’eau et les ententes (baux, droits, etc.) ; et
les principales utilisations du territoire.
Ainsi, selon la description des mandats des OBV, tout porte à croire que ces organisations seraient très bien placées pour appuyer les municipalités à la caractérisation des sites de prélèvement d’eau et à l’évaluation de leur vulnérabilité. Effectivement, les gestionnaires des OBV doivent manipuler et analyser plusieurs types de données qui ne concernent pas uniquement la qualité physique, chimique et microbiologique de l’eau (débit, pH, indice de qualité [IQBP6], etc.), mais également les usages du sol, la topographie, le climat et toutes données et informations décrivant les réalités du territoire de leur bassin versant. La connaissance et la compréhension du territoire, dont les réseaux hydrographiques, permettent une meilleure planification de la gestion de la ressource eau (Ait-Alhayane, 2010 ; Université de Sherbrooke, 2016). Par exemple, à l’aide des systèmes d’information géographiques (SIG), il est possible de cibler avec précision la délimitation des aires de protection pour les sites de prélèvement en eau de surface et de ce fait, répondre au RPEP plus aisément. Toutefois, certaines agences pour la gestion intégrée de l’eau au Canada (Kebo et Bunch, 2013 ; OBV de la Capitale, 2015 ; Abrinord, 2015) ont identifié deux problèmes principaux qui subsistent à travers leurs mandats : (1) l’acquisition des informations sur la qualité de l’eau des lacs et rivières à l’échelle du bassin versant n’est pas complète ; et (2) la mise en commun de l’information spatio-temporelle sur la qualité de l’eau et sur les caractéristiques du territoire n’est pas encore réalisée. Par conséquent, un accès efficace aux données relatives à la qualité de l’eau et aux caractéristiques naturelles du territoire et à son occupation (c‘est-à-dire les pressions anthropiques) est nécessaire.
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1.5.
La gestion de l’information : un défi technique pour la protection
des sources
Depuis les années 1990, un accès plus important aux technologies de l’information a permis de faciliter le travail des responsables du suivi de la qualité de l’eau et du territoire (Gouvernement provincial, municipalités, associations pour la protection des lacs et rivières, OBV, consultants, etc.). Plusieurs auteurs, comme Choi et al. (2005), Hewett et al. (2010) et Iwanaga et al. (2013) font mention des avantages de ces logiciels avec des SIG et des systèmes de gestion de base de données (SGBD) qui ont permis d’améliorer la précision et la rapidité d’exécution des mandats liés à la génération de données et d’informations sur la qualité de l’eau (par exemple, l’identification des problèmes affectant la qualité de l’eau en lien avec l’occupation du territoire) et à la gestion de ces données (comme l’exploitation, la représentation, etc.). Plusieurs études (Clarke et al., 2002 ; Hewett et al., 2010 ; Harmancioglu et al., 2011 ; Zhang et al., 2015 ; etc.) font état de l’abondance d’outils ou de logiciels de plus en plus sophistiqués pour la gestion des données environnementales. Cependant, la plupart de ces logiciels ne visent pas la gestion optimale de l’information, c’est-à-dire de traiter adéquatement les données afin d’en exploiter et valoriser les informations utiles (Zhang et Goddard, 2007 ; Hewett et al., 2010 ; Strager, 2010 ; Zhang et al., 2015).
Selon le Larousse (2016), une donnée est un « renseignement qui sert de point d’appui »2. Tandis qu’une information, selon l’Office québécois de la langue française (OQLF, 2002), est un « élément de connaissance concernant un phénomène et qui, pris dans un contexte déterminé, a une signification particulière »3. En d’autres mots, dans un contexte où il faut traiter les données, une donnée devient une information lorsqu’on lui confère un sens ou plutôt lorsqu’elle est interprétable. Selon Harmancioglu et al. (2011), il y a trois conditions minimales à respecter en support d’une gestion optimale de l’information : (1) l’information doit être disponible au moment opportun ; (2) l’information doit être facilement accessible ; (3) l’information doit prendre une forme qui soit facilement interprétable et utilisable pour les utilisateurs. De plus, il y a un besoin de solutions pratiques pour entreposer les données à long terme (Harmancioglu et al., 2011 ; Hunt et al., 2015 ; Mills et al., 2015). Effectivement, lorsque les projets s’échelonnent sur plusieurs années, comme c’est le cas des projets en sciences de l’eau, l’intégrité de la donnée4 doit être préservée dans le temps. C’est pourquoi le développement d’une solution technologique qui favorise la pérennité des données faciliterait la valorisation de la donnée et son intégrité à long terme serait assurée (Hunt et al., 2015). De plus, il faut savoir que la complexité de spatialiser
2 Larousse (2016) Donnée [En ligne]. www.larousse.fr/dictionnaires/francais/donn%C3%A9e/26436 (page consultée le 4 avril 2016). 3 OQLF (2002) Information. Office québécois de la langue française (OQLF) [En ligne].
http://gdt.oqlf.gouv.qc.ca/ficheOqlf.aspx?Id_Fiche=8869871 (page consultée le 4 avril 2016).
4 Selon l’OQLF (2005), l’intégrité d’une donnée désigne « la propriété associée aux données qui, lors de leur traitement ou de leur transmission, ne subissent aucune altération ou destruction volontaire ou accidentelle, et conservent un format permettant leur utilisation » http://gdt.oqlf.gouv.qc.ca/ficheOqlf.aspx?Id_Fiche=8355558
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la nature implique une collaboration qui dépasse les frontières politiques et administratives (Lasserre et Descroix, 2011 ; Hunt et al., 2015). Le partage des données, qui est de plus en plus utile et fréquent, comporte de nombreux avantages, mais également des inconvénients. Tout d’abord, le besoin de modéliser la nature afin de la comprendre oblige la concertation de plusieurs experts et usagers (les usages de l’eau). Il existe plusieurs défis techniques et administratifs concernant le processus d’entreposage et de gestion des données à long terme dans le domaine de l’environnement. Les données de sources multiples, nécessaires à la bonne compréhension du territoire, doivent être centralisées de manière efficace et doivent présenter une qualité suffisante afin d’interpréter les données. Les données utilisées pour des projets spécifiques doivent demeurer accessibles au-delà de la durée de vie d’un projet. Ainsi, le système de gestion de données doit être ajusté pour les besoins des projets spécifiques.
Depuis deux décennies, le nombre de bases de données publiées en ligne reliées au domaine de l’environnement et de l’eau s’est accru de manière considérable (Choi et al., 2005 ; Zhang et Goddard, 2007 ; Harmancioglu et al., 2011 ; Zhang et al., 2015). Au Québec, selon les références inscrites dans certains PDE (Abrinord, 2015 ; OBV de la Capitale, 2015), les données utilisées par les OBV proviennent de diverses sources (Gouvernements provincial et fédéral, secteur privé, organismes à but non lucratif [OBNL], municipalités, etc.). En effet, plusieurs bases de données disponibles grâce aux différentes ententes entre les OBV et le Gouvernement comme ACRIGéo5 et le système géomatique de la gouvernance de l’eau (SGGE), contiennent une collection d’information variée regroupée par thématiques, par exemple l’hydrographie, les milieux humides, les réseaux routiers, et ce avec des échelles variées en fonction du besoin dans lequel s’inscrit la donnée. Dans les bases de données disponibles dans les OBV, les fichiers sont sous différents formats (vectoriel, matriciel, fichier de texte, table de données, etc.). Une fois les données acquises, elles sont ensuite intégrées par l’utilisateur dans différents logiciels (systèmes de gestion de base de données [SGBD], tableurs, SIG, etc.) afin de les structurer et de procéder à l’analyse. Cette étape permet de conférer un sens aux données et de conserver les informations utiles. Il est possible de dénombrer plus d’une centaine d’outils d’analyse de données spatio-temporelles (logiciels, modèles, etc.) disponibles aux gestionnaires des ressources en eau (Strager et al., 2010 ; Zhang et al., 2015). La pluralité de ces outils suggère qu’il n’existe point une solution unique concernant la gestion des données sur le suivi de la qualité de l’eau. Ces outils font presque toujours appel à des bases gouvernementales, d’organismes à but non lucratif ou encore de firmes-conseils. L’interopérabilité entre les bases de données, c’est-à-dire la capacité d’un système à permettre le partage de données, demeure la tâche de l’utilisateur (Kebo et Bunch, 2013). Toutefois, il faut que les données aient été structurées de manière à faciliter l’interopérabilité des bases de données.
5 Il s’agit de l’Approche de coopération en réseau interministériel pour l’information géographique (ACRIGéo). Les OBV peuvent donc
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Afin de concéder un sens aux données, il est possible de procéder à des analyses spatiales. Ces dernières nécessitent la compréhension de plusieurs informations entourant l’origine de la donnée. Ces informations peuvent se retrouver dans les métadonnées. Une métadonnée est une information structurée qui permet de décrire, expliquer, localiser et utiliser la donnée (NISO Press, 2004). L’entreposage des métadonnées avec la donnée favorise la préservation de l’intégrité de cette dernière. En effet, la vérification de la qualité des données est étroitement liée à la présence de ces métadonnées (Kerski et Clark, 2012) qui servent de guide d’interprétation pour l’utilisateur de la donnée. Ceci permet aussi de s’assurer de la fiabilité des analyses et les décisions qui en découlent (Certu, 2010). Il existe de nombreux écrits qui recensent les différentes normes (standards) sur les métadonnées appliquées aux données spatio-temporelles (Green et Bossomaier, 2002 ; NISO Press, 2004 ; Yeung et Hall, 2007 ; Devillers et Goodchild, 2010 ; etc.). Toutefois, les normes varient d’une banque de données à une autre, car elles dépendent de l’usage des données qui sera fait. Parmi les normes les plus utilisées dans les SGBD recensés par Yeung et Hall (2007) et Larrivée (2013), nous retrouvons les normes ISO (9000 et autres ; ISO-19110 et autres), Dublin Core, ANSI, FGDC, etc. Ces normes n’ont pas nécessairement été conçues pour répondre aux besoins spécifiques des données spatio-temporelles sur la qualité de l’eau et sur le territoire, mais permettent d’établir des exigences minimales pour développer de bons indicateurs du niveau de confiance envers la qualité de la donnée. En somme, l’établissement d’exigences concernant les métadonnées permet de faciliter l’interprétation des données et l’interopérabilité entre les bases de données. À travers le recensement de nombreux SGBD disponibles sur le marché, il est possible de constater que ces derniers comportent plusieurs faiblesses et limites, dont les principales sont associées aux éléments suivants :
– l’intégration de plusieurs bases de données sous un même système de gestion de base de données (Choi et al., 2005 ; Hunt et al., 2015) ;
– l’évaluation de la qualité des données et de leur intégrité lorsqu’elles proviennent de différentes sources (Strager et al., 2010 ; Iwanaga et al., 2013 ; Hunt et al., 2015 ; Moges et al., 2016 ; Sprague et al., 2017) ; – les coûts de développement des systèmes de gestion de bases de données et l’aide technique requise pour
les exploiter (Zhang et Goddard, 2007 ; Kebo et Bunch, 2013 ; Hunt et al., 2015 ; Zhang et al., 2015).
La structuration des données, c’est-à-dire l’uniformisation efficace de tables de données et des informations géographiques de sources diverses, permet de rentabiliser les efforts déployés en économisant du temps et des ressources (Steiniger et Hunter, 2012) et requiert une organisation adéquate des données disponibles afin de les rendre accessibles et de favoriser leur exploitation et leur valorisation. C’est justement dans cette optique de valoriser les informations disponibles sur la qualité de l’eau et sur le territoire qu’a vu le jour ce projet de recherche. Le projet, qui s’insère dans les projets de recherche sur les stratégies de protection à la source menées par la Chaire de recherche en eau potable de l’Université Laval est également possible grâce au partenariat avec la compagnie WaterShed Monitoring. La compagnie WaterShed Monitoring, basée à Québec,
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avec son expérience pertinente dans les programmes de suivi de la qualité de l’eau ainsi que dans la recherche de solutions innovatrices pour répondre à des besoins de stockage et d’analyse des données sur la qualité de l’eau, a développé un logiciel avec un système de gestion de base de données (SGBD) nommé EnkiMD (WaterShed Monitoring, 2016). À l’aide de ce logiciel, il est possible de collecter, de contextualiser et d’analyser des données. En effet, en mettant à disposition des OBV un outil spécialisé pour structurer tous types de données sur la qualité de l’eau et sur les caractéristiques de leur territoire, ces organisations posséderaient une ressource supplémentaire pour la réalisation de leur mandat tel que décrit dans le cadre de référence pour les organismes de bassins versants (MDDEFP, 2012). Toutefois, bien que le logiciel ait été conçu pour réaliser le suivi de la qualité de l’eau, tout porte à croire que le logiciel pourrait également être utile pour la démarche de protection des sources d’eau potable telle qu’exigée par la nouvelle réglementation (RPEP). C’est justement une application de ce logiciel qui sera le cœur du sujet de l’article présenté dans le prochain chapitre.
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Objectifs de la recherche
L’objectif principal de ce projet de maîtrise était de développer un cadre méthodologique pour optimiser la gestion des informations disponibles relatives à la qualité de l’eau et au territoire à l’échelle d’un bassin versant de manière efficace et en cohérence avec les obligations du nouveau cadre législatif québécois en matière de protection des sources d’eau potable.
Les objectifs spécifiques sont :
A. mettre en place une démarche pour l’acquisition de l’information spatio-temporelle à l’échelle d’un bassin versant auprès des organisations qui la génère et qui la possède (comme les organismes de bassins versants) et appliquer cette démarche à une étude de cas particulier, soit l’inventaire sommaire des données nécessaires pour l’établissement des aires de protection pour les eaux de surface (articles 70, 72 et 74 du RPEP) et des données nécessaires pour l’évaluation de la vulnérabilité des eaux exploitées qui sont susceptibles d’affecter la qualité et la quantité des eaux exploitées par le prélèvement d’eau de surface (article 75 du RPEP) ;
B. identifier les exigences minimales concernant les métadonnées afin qu’elles permettent d’évaluer la qualité et la précision de l’information acquise sur la qualité de l’eau et sur le territoire ;
C. mettre à l’essai un logiciel spécialisé dans la gestion de données spatio-temporelles pour intégrer de manière optimale les informations acquises en vue de les exploiter de manière facile, rapide et flexible, dans un contexte d’application du RPEP.
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Chapitre 2 :
2. Optimizing Data Management for Municipal Source Water
Protection
Julia Cyr-Gagnon1, Manuel J. Rodriguez-Pinzon1
1 Université Laval, School of land management and regional planning, Québec City, Canada.
Abstract
Municipalities face considerable challenges implementing source water protection strategies, a key component of Integrated Water Resources Management (IWRM). In Quebec (Canada), these challenges have further increased with the implementation of a new regulation concerning water withdrawals and protection that requires mandatory watershed-scale management. The integration of spatially-referenced land-use data with source-to-tap water quality data is a crucial step for source water protection. This information is provided by different stakeholders who use different data sources and data structures, not always compatible. The main objective of this project was to test and improve water quality data management software to integrate, formulate and provide reliable data required to estimate source water vulnerability. The software offers a flexible data collection and sharing platform enhanced by the implementation of international metadata requirement-based standards. We developed basic steps for a source water protection application and applied them to a case study in the municipality of St-Jérôme, Quebec, supplied by a surface source water serving about 55 000 inhabitants. The main focus of this study was to test the software on three first steps of source water protection: (1) Description municipality water intake; (2) Delimitation – Source Protection Area; (3) Characterization – Source water vulnerability. We experimented these steps with the two main challenges faced by water resources managers responsible for applying source water protection: (A) Data management; and (B) Data validation.
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Résumé
La gestion intégrée des ressources en eau par bassin versant requiert de bonnes connaissances du territoire à l’étude afin d’inclure le suivi de la qualité de l’eau de la « source au robinet » dans la planification territoriale. Au Québec (Canada), la mise en œuvre de la nouvelle réglementation concernant la protection des sources d’eau nécessite une gestion de la ressource eau à l’échelle des bassins versants.
L’objectif de cet article est de proposer une démarche pour répondre au cadre règlementaire de protection des sources grâce à l’utilisation d’un logiciel spécialisé en gestion des données sur la qualité de l’eau et sur le territoire. Nous avons établi les principales étapes d’application de la protection des sources selon les exigences gouvernementales et les avons testées avec une étude de cas (Saint-Jérôme, Québec, Canada). Nous expérimentons les trois premières étapes de la protection des sources, c’est-à-dire (1) la description du site de prélèvement, (2) la délimitation des aires de protection, et (3) la détermination des niveaux de vulnérabilité, à travers les principaux défis pour les gestionnaires des ressources en eau : (A) gestion des données ; et (B) validation des données. Cet article vise à optimiser le processus d’acquisition et de traitement de l’information requise (eau et territoire) pour l’évaluation de la vulnérabilité des prises d’eau potable.
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2.1.
Introduction
Water quality monitoring is necessary to understand the impact of anthropogenic activities on surface and groundwater quality and to identify strategies to protect source waters. While fresh water is considered one of the most precious resources on earth, it remains fragile without active management strategies such as source water protection (SWP) plans.
In past decades, much effort has been deployed to protect source waters, especially since the tragedies of Milwaukee in 1993 (United States), Walkerton in 2000 (Ontario, Canada) and North Battleford in 2001 (Saskatchewan, Canada). Municipalities face considerable challenges in implementing SWP strategies, a key component of Integrated Water Resources Management (IWRM) and the first component of the multi-barrier approach for managing drinking water (CCME, 2004). The purpose of the multi-barrier approach adopted in 2002 in Canada is to reduce threats to the drinking water supply from the source to the citizen’s tap (CCME, 2004). Indeed, removing contaminants occurring in source waters as a result of water treatment plants could be expensive (Peckenham et al., 2005; Abell et al., 2017). For example, by protecting drinking water at the source with strategies to meaningfully reduce sediment or nutrient pollution from agricultural or deforestation, municipalities could reduce water treatment costs and diminish public health risks associated with exposure to contaminated water (CCME,2004; Choi et al., 2005). Since watersheds territories are large (which is often the case for surface water sources), SWP strategies may conflict with existing land uses and regional planning frameworks (Bates, 2012). SWP requires a better understanding of water resources on a watershed scale, based on the most accurate data (Wienand et al., 2009). Collecting and managing data required for SWP can be an ambitious challenge, especially when the data are provided by many organizations and stakeholders (Strager et al., 2010; Iwanaga et al., 2013; Kebo and Bunch, 2013). Municipalities need tools to gather unstructured data from various sources and verify data quality in the context of SWP implementation.
In Quebec, these challenges have further increased with the implementation of a new Water Withdrawal and Protection Regulation (chapter Q‑2, r. 35.2, called “WWPR”) in 2014 (Gouvernement du Québec, 2014), which requires mandatory watershed-scale management for drinking water sources, in particular for municipalities. The integration of spatially-referenced land use data and source-to-tap water quality data is crucial for SWP. Within the WWPR, Quebec municipalities with source water intakes that supply more than 500 inhabitants have five years to develop a report on source water vulnerability. This approach draws on many principles and concepts from other risk management approaches, such as the multi-barrier approach (CCME, 2004). With SWP assessments, water utilities should identify all potential risks associated with the source. The risks could include anthropogenic activities such as urban, agricultural, recreational or industrial activities, or natural risks such as wildlife in a watershed. Water vulnerability should be evaluated according to source water characteristics
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including physical, microbiological and chemical indicators. Within the WWPR and its interpretation guide analysis (MDDELCC, 2015), five general steps are required to reach the objectives of the report to the provincial government (Figure 1).
Figure 1: Process flowchart for source water protection
Description – Municipality Intake (1) comprises data collection by the water supplier, GIS-based description of the catchment area and water surface intake. Delimitation – Source Protection Area (2) includes the determination of three protection areas: the distance for an inner, intermediate and outer protection zone depends on water source type (e.g., river or lake). This is a crucial step because of the legal obligation resulting from the determination of the protection zone; it requires precise geospatial data to determine watershed boundaries with accuracy. Characterization – Source water vulnerability (3) refers to six water intake vulnerability indicators: physical integrity of the withdrawal site; microorganisms; fertilizers; turbidity; inorganic substances; organic substances. These indicators incorporate the hazardous event impacts on drinking water (e.g., biological/chemical contamination of source water, railcar derailment, algal blooms). Characterization – Anthropogenic activities (4) contains the determination of all anthropogenic activities within the protection areas. An optimized data management could lead to a faster identification of contaminant types, landfills, pits, etc. Then, the water resource manager could proceed to the last step: Identification – Risk Origin (5). Identifying risk origin comprises a vulnerability evaluation that includes the ranking of each event according to its likelihood of occurrence and the consequences or severity of the results. When defining the SWP steps, the water resource manager must consider many challenges related to data management which are exposed in the next section.
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Since the 1990s, greater access to information technology has facilitated water resource management efficacy (e.g., provincial government, municipalities, associations for the protection of lakes and rivers, regional watershed councils, consultants). Several authors (e.g., Choi et al., 2005; Hewett et al., 2010; Strager et al., 2010; Iwanaga et al., 2013) mention the advantages of using GIS software as a decision-support tool for environmental problems. Due to advances in GIS capabilities and data availability, it is now easier to identify problems affecting water quality and consider land use information with more accuracy and efficiency (Clarke et al., 2002; Hewett et al., 2010; Harmancioglu et al., 2011; Zhang et al., 2015; etc.). Analyzing water quality issues within watersheds is time-consuming, especially when there is an interoperability data processing issue (Strager et al., 2010). Indeed, database interoperability is a complex problem faced by many users who need to collect data from different stakeholders (e.g., Choi et al., 2005; Zhang and Goddard, 2007; Kebo and Bunch, 2013; Hunt et al., 2015). One example of land use interoperability challenges is the different territorial planning levels (municipal, provincial, regional, national) combined with the use of transcalarity (different data resolutions). This error-laden data could lead to uncertain values.
In order to use GIS, users (i.e., water resource managers) need an efficient database management system which includes data contextualization (Strager et al., 2010; Mills et al., 2015; Zhang et al., 2015). Contextual information, data organization, interpretation and preservation are the main metadata qualities. In order to verify data quality, the use of metadata is mandatory (NISO Press, 2004). By contextualizing the information within the metadata, water resource managers are more at ease using and sharing data from other stakeholders (Agnew, 2003). Standardized metadata make data more shareable and favour data durability. Even with more than 30 years of GIS science, using metadata information is not a habitual task for end users: almost half of the 25 million water quality records studied by Sprague et al. (2017) were missing one or more key metadata elements. If the metadata are not stored correctly, end users need to make assumptions about the data that may lead to erroneous analyses and decisions (Sprague et al., 2017). It is particularly challenging for water resource manager to aggregate water-quality data and spatial land use data from multiple sources. With imprecise data, it takes more time to identify contaminant sources and even delimitate watershed boundaries (Tinghua, 2015). For instance, thanks to proper data contextualization, Pinto and Maheshwari (2011) were able to correctly impute missing data into a water quality monitoring program study. In addition to data contextualization, many studies have shown the need for a long-term data storage solution (Harmancioglu et al., 2011; Hunt et al., 2015; Mills et al., 2015). Indeed, when projects last for several years, as is the case with water-related projects, data integrity must be preserved over time. Therefore, developing a technological solution that promotes data durability would facilitate data valorization and ensure its long-term integrity (Hunt et al., 2015). This solution could be particularly helpful in a SWP context. The application of these steps requires optimized data management in order to track data, verify data quality with metadata and save time and money for the water resource manager (Moges et al., 2016; Sprague et al., 2017). Using GIS software could be useful for all SWP steps, especially when
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characterizing land uses affecting the drinking water supply. Moreover, having a software design for water quality monitoring program could be advantageous in the context of applying the SWP, especially to characterize source water vulnerability. Indeed, in order to identify contamination risks according to local, regional and national regulations, municipalities need to collect multiple land-use and water quality data on a watershed scale. Those challenges have established the need for a software designed to ensure interoperability between databases and store water quality data and contexts on a perennial basis.
The objective of this paper is to propose a software-based process to manage water quality and the territorial data required for the implementation of SWP. The methodology is applied to optimize data collection and the integration, formulation and reliability of data required to comply with specific requirements of the SWP regulation (WWPR) of the Province of Quebec, Canada. The software is supported by a geographical information system (GIS) and its application is illustrated through the example of a medium-sized source watershed providing drinking water to a municipality of the Province of Quebec.
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2.2.
Methodology
2.2.1. Implementing source water protection into a water quality data management system
The consideration of the issues presented in the previous sections requires the use of GIS-based software that integrates geodatabase and water quality data under the same support and is able to aggregate many data formats. The software must also ensure data validation via contextualization that valuates data quality and integrity from different sources. We proposed the use of specialized software to organize and manage unstructured water quality data and verify data quality. Thus, we selected the Enki® water quality data management system (WaterShed Monitoring, 2016). Enki is cloud-based software designed for water quality monitoring program. The software contextualizes all the data acquisition components from the field to the laboratory. Enki allows to store, organize, contextualize, analyze, publish and share all types of water-related data and geographical information from source to tap. We hypothesized that Enki would be a powerful SWP management tool because it addresses most of the previously discussed issues and could: (i) verify data quality within the contextualization; (ii) meet metadata requirements (geospatial and water quality data); (iii) store data with accuracy and reliability; and (iv) analyze data for the various SWP regulatory steps. In order to verify these assumptions, we tested SWP software applicability with the first three steps of SWP as presented in Figure 1: (1) Description – Municipality Intake; (2) Delimitation – Source Protection Area; (3) Characterization – Source water vulnerability. The test results presented focus on the first three SWP steps because they are centered on contextualization and are the cornerstone for estimating source water vulnerability. To qualify Enki as SWP software, each SWP step was examined on the basis of the two following major challenges: (A) Data management; and (B) Data validation. The practical implementation of SWP with Enki is illustrated with the case study of the source water of the municipality of Saint-Jérôme, Quebec, Canada.
2.2.2. Case study
The case study focuses on the surface drinking watershed of the municipality of Saint-Jérôme, Canada. This watershed covers an area of 1 150 km2 and provides surface drinking water to more than 55,000 people from a river intake. This watershed is located 30 kilometers north of the metropolitan area of Montréal and serves multiple purposes (urban, recreational, industrial, commercial and residential). Water resource managers need to collect data from every municipality upstream from the water intake located in the Rivière-du-Nord watershed. The regional watershed council (known as Abrinord) ensures the connection between stakeholders and water resource managers since the water intake watershed comprises about 25 municipal territories either entirely (6) or partially (more than 20) as shown in Figure 2.
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Figure 2: Saint-Jérôme municipal surface water intake watershed.
For the data collection, a licence agreement to use stakeholders’ water quality data from the Rivière-du-Nord watershed, (Quebec Ministry of the Environment; regional watershed council - Abrinord; municipality of Saint-Jérôme) allowed data collection according to WWPR data requirements (MDDELCC, 2015). The agreement allowed us to access geospatial database normally restricted to regional watershed council like ACRIGéo (Approche de coopération en réseau interministériel pour l’information géographique) which contains land uses information for the province of Quebec and SGGE (Système géomatique de la gouvernance de l'eau). SGGE centralizes all geospatial water-related data from the provincial government that the regional watershed council
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may visualize (e.g., contaminated soils, landfills, etc.). Because of the recent updates in the Regulation respecting the quality of drinking water (chapter Q-2, r. 40) in 2012 (Gouvernement du Québec, 2001), we analyzed all water quality data from the Ministry of the Environment available from January 1, 2013 to December 31, 2015. For first three SWP steps, data was provided by different data stakeholders (Table 1).
Table 1: Case study data source
SWP step Main data source Format and SWP application
1. Description – Municipality Intake Municipality of Saint-Jérôme Text document (e.g., word document or
pdf): description of the catchment area and water surface intake
Image file: water surface intake pictures
2. Delimitation – Source Protection
Area Municipality of Saint-Jérôme Geospatial Computer-aid design (e.g., dwg format): data (e.g., shapefile);
Inner and intermediate source protection area
Quebec Ministry of the Environment (MDDELCC); Regional watershed council - Abrinord
Geospatial data (e.g., shapefile): Outer
source protection area and watershed boundaries
3. Characterization – Source water
vulnerability
Quebec Ministry of the Environment (MDDELCC)
1 tabular document: Water quality parameters
Regional watershed council -
Abrinord 2 tabular documents: (1) contextual information for sampling points based on the water quality monitoring program (2) Water quality parameters
St-Jérôme’s drinking water
treatment plant 3 tabular documents: a distinct document for every year studied (2013 to 2015) which contains water quality parameters
In this case study, metadata signifies all contextual information on a datum including tabular documents and geospatial data. For example, describing the municipality intake within its context means importing metadata information into the data management system. Metadata information will be discussed in the data validation sections of the first three SWP steps. Effectively, all available data collected for the purpose of the previous steps of the WWPR need to be evaluated and validated. Additionally, validation procedures within the metadata can be supported by GIS as recommended by many references (e.g., NISO Press, 2004; Yeung and Hall, 2007; ISO 19115-1, 2014). When geospatial data required analysis prior to being imported in Enki (e.g., comparing multiple watershed datasets), we used the well-known commercial GIS software program ArcGIS 10.3. (Esri, 2015). The confidentiality of sensitive data (e.g., drinking water supply geographic coordinates) prevents us from presenting data from the Saint-Jérôme municipal drinking supply. For this reason, in this case study, SWP implementation results for the St-Jérôme water drinking supply will be presented in the next section as the closest regional watershed council sampling point (RDN121). Since Enki is designed for water quality monitoring programs, several comparisons between SWP application and water quality monitoring program terminology will be used and presented in the results.
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2.3.
Results
2.3.1. Step 1 –Description – Municipality Intake
A) Data management
Given its ability to store, organize and contextualize water quality data for a sampling point in the context of a water quality monitoring program, we surmised that the use of Enki would require an easy modification on attribute names and descriptions for SWP regulatory steps (Table 2). Enki is designed to import and store sampling points along with all water-related data and geographical information. For every sampling point, general information is mandatory before importing any water quality data in Enki (see Table 2 for additional details) and is structured as a metadata in Enki. To describe Saint-Jérôme’s municipal drinking supply in Enki, we used the georeferenced sampling point description: RDN 121 (Figure 3).
Table 2: Attributes names in Enki and comparisons examples
Attributes names
Type Required Description
for water
quality monitoring program
Using examples for
water quality
monitoring program
Using examples for source water protection
name String Yes The sampling
point's name Sampling point name Municipal water intake name (i.e., withdrawal site)
aliases Text No The sampling
point's alias
Sampling point alias (other name)
Provincial number of authorization for this site
latitude Numeric Yes Latitude of the
sampling point Geographic coordinates Geographic coordinates
longitude Numeric Yes Longitude of
the sampling point
Geographic coordinates
Geographic coordinates
altitude Numeric Yes *
* Only for lake sampling Altitude of the sampling point, may be negative
When a sampling point is in a lake, the altitude is required
When a surface water intake is in a lake, the altitude is required
localization description
Text Yes A short description of the physical location
Localization environment; how to get there safely and with accuracy;
A description of the sampling infrastructure (entrance structure, pipeline, pumping or shore viewing, etc.); Information about the justification photography – from where the photo was taken, who, when, etc. justification Text Pdf, Image file Yes A justification for the sampling point's usage Sampling point justification
A diagram (cross-sectional view) and a description of the condition of the water sampling facility and its immediate environment; sampling site photo or water intake photo.
notes Text No Supplementary
details Any recommendation for the water utility; either an organization or a person from which the sampling point belongs to
Use type: permanently used site or make-up site; authorized sampling rate (in m3/day); The critical water
level (i.e., the minimum water level required above the for optimal functioning); etc.
21 Attributes
names Type Required Description for water
quality monitoring program
Using examples for
water quality
monitoring program
Using examples for source water protection
waterbody Shapefile Yes The immediate
parent waterbody from which the sampling point is part of
Watershed and sub-watershed shapefile
Watershed and sub-watershed shapefile
Inner, intermediate and outer protection zone has the same geospatial semantic then watershed, meaning it could be imported in Enki as a waterbody data
entity Entity No The immediate
parent entity from which the sampling point is part of
Rivers and lakes shapefile
Rivers and lakes shapefile
contexts Context No A collection of
contexts created at the sampling point
Water quality data from
laboratory analysis Water quality data from laboratory analysis with SWP water quality parameters
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Figure 3: Example of a technical description for a sampling point
In Figures 3 and 4, an example of a technical description for a sampling point near the water intake shows how the cloud-based software is structured as seen by users (i.e., water resource managers). This regional watershed council sampling point (RDN121) is the closest to the St-Jérôme water drinking supply. It is provided as an example of data and attributes information imported into Enki. Figure 4 shows data organization behind sampling point contextualization information. Contextual information is automatically filled by the Enki support systems.
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Figure 4: Sampling point contextualization
B) Data validation
Using a water quality data management system, such as Enki, storing information on the municipality intake according to the SWP and contextualization is an effortless process. The water intake description is a compilation of available background information. To comply with the WWPR, the municipal water resource manager is also expected to provide characteristics of its source water intake for the vulnerability report. Therefore, we can assume the complete accuracy of the water intake description owing to legal obligations. In this case study, we incorporated into Enki the information provided by the St-Jérôme water resource manager to describe and contextualize the water intake. The software certifies an automatic follow-up on updates using the metadata storing cloud; all metadata can be exported as an external report on a tabular data file (e.g., Excel table). The georeferenced description site is one of the cornerstones of SWP. Thus, by contextualizing any update and
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change within the metadata in the Enki system (as shown on Figures 3 and 4), the confidence level is increased for the SWP report.
2.3.2. Step 2 – Delimitation – Source Protection Area
A) Data management
Inaccurate source protection area delimitation can influence future land use planning. Indeed, some land uses could be prohibited in the immediate and intermediate area if anthropogenic activities are considered as a substantial risk for water intake. In accordance with the WWPR, there are three source protection area types with different boundaries depending on surface water intake (Table 3).
Table 3: WWPR surface source protection area description
Surface water intake/ Source Protection Area
Lake River type 1 (e.g., a stream; or any other watercourse, except the St. Lawrence River)
River type 2 (i.e., St. Lawrence River, Canada)
Inner protection
zone 0.3 km buffer including tributary rivers 0.5 km upstream and 0.05 km downstream including a setback on land of 10 metres from the shoreline and including tributary rivers.
1 km upstream and 0.05 km downstream including a setback on land of 10 metres from the shoreline and including tributary rivers.
Intermediate
protection zone 3 km buffer including tributary rivers 15 km upstream and 0.1 km downstream including a setback on land of 120 metres from the shoreline and including tributary rivers.
10 km upstream and 0.05 km downstream including a setback on land of 120 metres from the shoreline and including tributary rivers.
Outer protection zone
Watershed boundaries including immediate and intermediate protection area
Watershed boundaries including immediate and intermediate protection area
Watershed boundaries including immediate and intermediate protection area within the provincial administrative boundaries
According to the WWPR, source protection areas are separated into three categories: (i) inner protection zone: the most susceptible area located immediately next to the water intake. Its susceptibility is due to the risk of contaminants rapidly reaching the municipal water intake. Depending on the surface water intake, it varies between 300 metres and 1 km upstream of the water intake; (ii) intermediate protection zone: an area upstream where an accidental spill or the arrival of a contaminant might reach the intake source before the water operator can react (around a minimum time of 2 hours). It is also the area for which the effluents from intermittent discharge or runoff from a ditch located upstream may not be sufficiently diluted before reaching the intake source; and (iii) outer protection zone: the last barrier for the water source protection area where contaminants can eventually reach the water intake, but with sufficient time to enable an intervention by the water treatment plant operator. It includes the inner and intermediate protection zones.
