VARIABILITÉ SPATIO-TEMPORELLE DE LA QUALITÉ DE L’EAU
POTABLE DES PETITS RÉSEAUX : FACTEURS EXPLICATIFS ET
DÉVELOPPEMENT D’OUTILS DE GESTION
Thèse
Anna Scheili
Doctorat en aménagement du territoire et développement régional
Philosophiae doctor (Ph.D.)
Québec, Canada
© Anna Scheili, 2015
iii
Résumé
Cette thèse est consacrée à la détermination des facteurs responsables de la variabilité spatio-temporelle de la qualité de l’eau potable dans les petits réseaux de distribution et au développement d’outils de gestion destinés aux opérateurs. Afin de réaliser cette thèse, des études de cas ont été conduites dans 25 petites municipalités (population inférieure à 5 000 habitants) de deux provinces Canadiennes (Québec et Terre-Neuve et Labrador). Le premier chapitre présente un portrait spatio-temporel de la qualité de l’eau brute et de l’eau potable dans les réseaux à l’étude. Des facteurs expliquant la variabilité de la qualité de l’eau y sont identifiés. Dans le deuxième chapitre, un indice de la qualité de l’eau potable est développé. Quatre scénarios de surveillance sont proposés selon les besoins spécifiques des petits réseaux afin de représenter la qualité globale de l’eau potable d’une façon adéquate. Le troisième chapitre s’intéresse à la détermination des paramètres de l’eau brute et des facteurs climatiques facilement mesurables qui ont un impact majeur sur la variabilité temporelle de la qualité de l’eau potable dans les petits réseaux à l’étude. Un modèle de régression logistique permet de développer un outil pour estimer la probabilité de la détérioration de la qualité de l’eau, en se basant sur les facteurs identifiés. Le dernier chapitre intègre les facteurs humains opératoires dans la gestion de l’eau potable. Tout d’abord, une catégorisation permet la détermination des facteurs humains opératoires ayant le plus d’impact sur la qualité de l’eau potable des petits réseaux. Une analyse multi-niveaux est également effectuée afin de d’évaluer la contribution relative des facteurs humains opératoires par rapport à la qualité de l’eau brute et au traitement. Finalement, l’impact de la variabilité temporelle des facteurs humains opératoires sur la qualité de l’eau est étudié.
Mots-clés : Qualité de l’eau, eau potable, petits réseaux, variabilité spatio-temporelle,
indice de la qualité de l’eau, facteurs climatiques, facteurs humains opératoires, outils de gestion
v
Spatio-temporal variability of drinking water quality in small systems:
explanatory factors and development of management tools
Abstract
This thesis focuses on the determination of factors that impact the spatio-temporal variability of drinking water quality in small systems and on the development of management tools intended to operators. Data was provided by sampling campaigns conducted in 25 small systems in two Canadian provinces (Quebec and Newfoundland and Labrador). The first chapter draws a spatio-temporal portrait of raw and drinking water quality in the systems under study. Some factors affecting the quality of drinking water are identified. In the second chapter, a drinking water quality index is developed. Four customized monitoring scenarios are proposed according to the specific needs of small systems, which allow the appropriate representation of global drinking water quality. The third chapter identifies raw water quality parameters and climate factors that have an important impact on the temporal variability of drinking water quality. Based on these factors, a logistic regression model allows the development of a tool that estimates the probability of the deterioration of drinking water quality. The last chapter considers human operational factors as impact factors in drinking water quality management. A categorization leads to the determination of the most important human operational factors contributing to drinking water quality. A multi-level model is applied to evaluate the relative contribution of human operational factors in comparison to the impact of raw water quality and treatment. Finally, the impact of the temporal variability of human operational factors on drinking water quality is investigated.
Keywords: Water quality, drinking water, small systems, spatio-temporal variability,
vii
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... v
Table des matières ... vii
Liste des tableaux ... xi
Liste des figures ... xiii
Remerciements ... xv
Avant-propos ... xvii
Introduction générale ... 1
I. Contexte de l’étude ... 1
II. Objectifs de la thèse ... 13
III. Bases de données et informations utilisées ... 15
IV. Originalité de la thèse... 22
Bibliographie de l’introduction générale... 23
1. CHAPITRE 1 Seasonal and spatial variations of source and drinking water quality in small municipal systems of two Canadian regions... 33
1.1. Introduction ... 34
1.2. Materials and Methods ... 36
1.2.1. Small systems under study ... 36
1.2.2. Sampling program ... 36
1.2.3. Analytical procedures ... 39
1.2.4. Statistical analysis ... 40
1.3. Results and discussion... 40
1.3.1. Seasonal variation of water quality at the source and within the distribution system40 1.3.2. Spatial variations of water quality in the distribution system ... 56
1.4. Conclusions ... 62
1.5. References ... 63
2. CHAPITRE 2 Development, application and sensitivity analysis of a water quality index for drinking water management in small systems ... 69
2.1. Introduction ... 71
viii
2.2.1. Index choice ... 73
2.2.2. Adaptation and application of the CCME WQI ... 74
2.3. Results and discussion ... 81
2.3.1. Scenario analysis ... 81
2.3.2. Sensitivity analysis ... 88
2.4. Conclusions ... 94
2.5. References ... 96
3. CHAPITRE 3 Impact of raw water quality and climate factors on the variability of drinking water quality in small systems ... 101
3.1. Introduction ... 103
3.2. Methodology ... 105
3.2.1. Drinking water quality in the context of small systems ... 105
3.2.2. Climate data ... 108
3.2.3. Statistical analysis methods ... 108
3.3. Results and Discussion ... 111
3.3.1. Description of the database ... 111
3.3.2. Correlation analysis ... 114
3.3.3. Stepwise regression ... 115
3.3.4. Identification of climatic risk periods ... 118
3.4. Conclusions ... 122
3.5. References ... 123
4. CHAPITRE 4 Impact of human operational factors on drinking water quality in small systems: An exploratory analysis ... 129
4.1. Introduction ... 131
4.2. Methodology ... 132
4.2.1. Water quality data ... 133
4.2.2. Human operational factor data ... 134
4.2.3. Statistical analysis ... 137
4.3. Results ... 138
4.3.1. Data description ... 138
4.3.2. Categorization of systems based on human operational factors ... 140
ix
4.3.4. Multivariate regression ... 149
4.4. Conclusions ... 152
4.5. References ... 153
Conclusion générale ... 157
I. Les résultats de la thèse ... 157
II. Recommandations ... 163
III. Contributions de la thèse ... 166
IV. Originalité des résultats de la thèse ... 167
V. Limites et perspectives ... 169
Annexes ... 173
Annexe A: Liste des réseaux municipaux étudiés ... 175
Annexe B: Sampling points and parameters measured during the sampling campaigns 2010-2011 ... 176
Annexe C: Feuille de résultats utilisée lors des échantillonnages ... 177
Annexe D: Questionnaires used for interviews with operators in 2011 ... 178
Annexe E: Questionnaires used for interviews with operators in 2012 ... 185
Annexe F: Human operational factors and the strategy of score attribution according to survey results... 187
Annexe G: Results for raw water quality parameters (all systems included) ... 188
Annexe H: Results for water quality in the distribution systems (all systems included) ... 189
Annexe I: Sampling procedures ... 190
Annexe J: Analytical procedures for physico-chemical parameters ... 191
Annexe K: Analysis of THMs... 192
Annexe L: Analysis of HAAs ... 193
Annexe M: Case studies ... 194
Annexe N: Drinking water quality index, scenario 5. Representation of drinking water quality with conservative thresholds ... 200
xi
Liste des tableaux
Table 1.1: Served population, type of source water and applied treatment for each studied system ... 38 Table 1.2:Number of samples with detectable levels of taste and odour indicators ... 50 Table 1.3: Average values of THMs, HAAs, and free residual chlorine according to
raw water quality in systems of Newfoundland and Labrador.. ... 52 Table 1.4: Average values of THMs, HAAs, and free residual chlorine according to
raw water quality parameters and treatment efficiency in small systems of Quebec ... 53 Table 1.5: Results for a model explaining average THMs, HAAs and free chlorine
level in the distribution system for small systems of NL.. ... 55 Table 1.6:Average THM4 and HAA5 in the middle (R2) and the extremity (R3) of
the distribution system according to the caracteristics of the first sampling point (R1). ... 60 Table 1.7: Results for a model explaining THM, HAA and free chlorine variability in
the distribution system ... 61 Table 2.1: Thresholds for DWQI scenarios ... 76 Table 2.2: Proposed seasonal thresholds for THMs and HAAs in the regions of
Quebec and Newfoundland and Labrador ... 80 Table 3.1: Thresholds for the selected parameters in the DWQI calculations ... 107 Table 3.2: Results for raw water quality parameters ... 112 Table 3.3: Stepwise analysis for explaining DWQI by raw water quality parameters
and climatic factors ... 117 Table 3.4: Regression models and their characteristics ... 119 Table 4.1: Human operational factor scores based on first survey (S1) in the two
Canadian regions under study: Quebec (QC) and Newfoundland and Labrador (NL). ... 139 Table 4.2: Significance of variables that explain the variability of drinking water
quality index (DWQI) in the provinces of Newfoundland and Labrador and Quebec when data from both regions were pooled; explanatory variables are: raw water quality index (RWQI), treatment factor (TF) and human operational factors (HOF). ... 150 Table 4.3: Significance of variables that explain the variability of drinking water
quality index (DWQI) in the provinces of Newfoundland and Labrador (NL) and Quebec (QC) (regions considered separately) based on a) monthly and b) daily data; explanatory variables are: raw water quality index (RWQI), treatment factor (TF) and human operational factors (HOF). ... 151
xiii
Liste des figures
Figure 0.1: Différentes étapes influençant la qualité finale de l’eau potable ... 5 Figure 1.1: Seasonal variations of raw water quality in the small systems under
study: average values of a) TOC, b) Turbidity, c) Bromide, d) E.Coli. ... 42 Figure 1.2: Seasonal variability of drinking water quality parameters in small
systems under study : a ) Free Cl2, b ) THM4, c ) HAA5, d ) BDCM ... 45 Figure 1.3: Average levels of HPC at the middle point of the distribution system
according to seasons and free residual chlorine concentration: a ) QC, b ) NL ... 48 Figure 1.4: Average residual free chlorine, THM4 and HAA5 levels according to
provinces and location in the distribution system. a) free Cl in QC and NL. b) THM4 in QC and NL. c) HAA5 in QC and NL. ... 57 Figure 2.1: Scenario 1 – Temporal variability of DWQI values in two selected
systems: a) system SA in Quebec; b) system RA in Newfoundland and Labrador. .... 82 Figure 2.2: Scenario 2 – Spatio-temporal variability of DWQI values in three
locations (beginning, middle, extremity) of two small distribution network of two selected system: a) system RA in Newfoundland and Labrador; b) system SV in Quebec. ... 84 Figure 2.3: Scenario 3 – Short term variability of DWQI values for two selected
system: a) system GB in Newfoundland and Labrador over a period of one month; b) system SC in Quebec over a period of two months.. ... 85 Figure 2.4: Scenario 4 – Spatio-temporal variability of DWQI values for one selected
system (system CV in Newfoundland and Labrador) over a period of 13 months: a) based on DBP regulatory thresholds; b) based on seasonal DBP thresholds. ... 87 Figure 2.5: Impact of parameter selection on the distribution of DWQI categories ... 90 Figure 2.6: Impact of the number of involved parameters on the distribution of
DWQI categories ... 92 Figure 2.7: Impact of the periodicity (monthly and seasonal) of DWQI calculation on
final average index values. ... 93 Figure 2.8: Impact of the periodicity (monthly or seasonal) of DWQI calculation on
the distribution of index values within the different categories. ... 94 Figure 3.1: Climatic factors in the regions of Quebec (QC) and Newfoundland and
Labrador (NL) at three time scales (3-, 7-, and 14-day periods before measurements); a) rainfalls and total precipitation; b) average temperature and average maximal temperature. ... 113 Figure 3.2: Sensitivity analysis of two-variable models; a) province of Quebec (QC)
with a DWQI threshold of 85; b) province of Newfoundland and Labrador (NL) with a DWQI threshold of 65. ... 121 Figure 4.1: Characterization of small systems based on human operational factor
results; a) Category 1 for Newfoundland and Labrador, n = 5; b) Category 2 for Newfoundland and Labrador, n = 3; and c) Category 3 for Newfoundland and Labrador, n= 3; d) Category for Quebec, n = 10. ... 142 Figure 4.2: Average seasonal values of drinking water quality index (DWQI) for
xiv
Figure 4.3: Standard deviations of free residual chlorine level in the middle of the distribution system according to human operational factors (HOFs) for small systems of Quebec (QC) and Newfoundland and Labrador (NL). ... 146 Figure 4.4: Temporal variability of drinking water quality index values (DWQI) and
human operational factors during a period of one week in 6 studied small systems ... 148 Figure 0.2: Les problématiques adressées dans la thèse...158
xv
Remerciements
Ces dernières années passées sur le terrain, au laboratoire et au 1722 constituent l’expérience extraordinaire qu’est ma thèse. Un projet qui s’est réalisé petit à petit, avec des difficultés, certes, mais avec beaucoup de succès, d’apprentissages et d’accomplissements. Bien que ceci soit un projet très personnel, de nombreuses personnes y ont contribué d’une certaine façon. Cette section est donc dédiée à celles et à ceux qui ont fait de cet « exercice » un doctorat inoubliable.
Je remercie à toutes les personnes que j’ai croisées depuis mon arrivée à Québec, et plus particulièrement à …
Manuel Rodriguez, mon directeur de thèse, pour son humanité et pour m’avoir guidée dans cette aventure.
Rehan Sadiq, mon codirecteur, pour sa disponibilité, son expertise et son ouverture d’esprit.
Mon jury : François Proulx, Asit Mazumder et Christian Bouchard pour leur apport scientifique.
Les organismes subventionnaires me permettant de réaliser ce qui était juste une idée aux commencements : RES’EAU – WaterNET, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et la Chaire de recherche en eau potable de l’Université Laval.
Tous les opérateurs d’eau potable de m’avoir ouvert leur bras et leur usine de traitement.
Sabrina, Catherine, Michel et toute l’équipe du laboratoire, de m’avoir aidé à transférer des informations d’une bouteille d’eau à l’écran d’ordinateur.
Stéphanie, pour son dynamisme et son sens d’organisation, essentiels lors des campagnes d’échantillonnage.
Christelle, d’être une excellente collègue, amie et coach de vie, et d’avoir toujours un mouchoir et une épaule à me prêter quand j’en avais besoin.
Francine, avec qui de parler d’argent et (surtout) d’autres choses n’a pas de prix.
xvi
Marie-Pierre, pour sa gentillesse et connaissance inépuisables.
Catherine, pour ses folies.
Geneviève Cloutier, pour ses yeux brillants et son être poétique.
Willem, pour sa bonne humeur et sa disponibilité (même pour les inscriptions de dernière minute).
Lyne, pour son aide au quotidien.
Alexandre, pour les discussions et pour m’avoir recrutée.
Ianis, pour son enthousiasme.
Francis, pour son amitié et sa patience.
Toute la communauté du CRAD et de l’ÉSAD, pour l’accueil, l’encouragement et la bonne ambiance.
Olivier, de m’avoir nourrie d’amour.
Sa famille, d’être ma deuxième famille.
Mes sœurs Eszter et Adél, d’être mes rayons de soleils même aux hivers les plus froids, à 6000 km.
Mes grands-parents, pour leur curiosité et d’avoir toujours cru en moi.
Tamás, pour les noix et pour son support envers toute ma famille.
Ma mère de me laisser partir, de supporter la distance et de m’aimer.
Et mon père de m’avoir montré le chemin.
Kis családom, szeretném nektek megköszönni azt a szeretetet és támogatást, amit (nem csak) az utóbbi öt évben kaptam tőletek. Nagyon sokat segítettek a bolondos skype beszélgetések, az együtt töltött szünetek, Kanadában, otthon, vagy máshol. Egy emberként velem együtt birkóztatok meg a doktorim nehézségeivel, a távolsággal, időeltolódással. Köszönöm, hogy hittetek bennem. Szeretlek Titeket!
xvii
Avant-propos
Cette thèse est composée de quatre chapitres. Chaque chapitre est issu d’un article scientifique publié, soumis ou à soumettre dans des revues scientifiques internationales avec comité de lecture. Pour un rayonnement plus important, ces articles – et par conséquence, les chapitres – sont rédigés en langue anglaise. Cependant, l’introduction et la conclusion générale de la thèse, ainsi que les parties transitoires reliant les chapitres sont en langue française. Ce manuscrit contient également le résumé global de la thèse en anglais et en français, ainsi qu’un résumé spécifique pour chacun des chapitres.
Des informations supplémentaires ont été placées dans l’annexe générale à la fin du manuscrit pour permettre le lecteur la compréhension complète de la thèse. Certaines annexes sont connexes à des articles en particulier, et donc sont rédigées en anglais. Une section bibliographique suit chacun des articles, ainsi que l’introduction générale.
La thèse est structurée selon une logique dans laquelle il existe des liens forts entre les chapitres. Ainsi, les résultats d’un chapitre influencent les objectifs et la méthodologie des suivants. Malgré cela, chacun des chapitres a été conçu pour une lecture autonome et indépendante des autres chapitres. Pour cette raison, il peut y avoir certaines redondances entre des sections des chapitres. Bien que dans certains cas, des chapitres se basent sur les mêmes bases de données, la méthodologie et les données de chacun des chapitres sont présentées selon les besoins de l’article, délaissant des parties méthodologiques non pertinentes pour le chapitre donné.
Pour chacun des articles, le premier auteur est l’auteur de la thèse. Pour les articles 1, 2 et 4, les autres auteurs sont le directeur et le codirecteur de la thèse. Pour l’article 3, le deuxième auteur est un chercheur postdoctoral qui a collaboré aux cours des recherches menées dans l’article, et les autres auteurs sont le directeur et le codirecteur de la thèse.
Les chapitres suivent l’ordre logique et chronologique des travaux effectués au cours de la thèse. Les titres et les références des articles constituant cette thèse sont présentés ci-dessous.
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CHAPITRE 1
Seasonal and spatial variations of source and drinking water quality in small municipal systems of two Canadian regions
Anna Scheili, Manuel J. Rodriguez, Rehan Sadiq Science of The Total Environment, 508, 514-524.
CHAPITRE 2
Development, application and sensitivity analysis of a water quality index for drinking water management in small systems
Anna Scheili, Manuel J. Rodriguez, Rehan Sadiq
Soumis à Environmental Monitoring and Assessment en Décembre 2014
CHAPITRE 3
Impact of raw water quality and climate factors on the variability of drinking water quality in small systems
Anna Scheili, Ianis Delpla, Rehan Sadiq, Manuel J. Rodriguez À soumettre
CHAPITRE 4
Impact of human operational factors on drinking water quality in small systems: An exploratory analysis
Anna Scheili, Rehan Sadiq, Manuel J. Rodriguez À soumettre
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Introduction générale
I. Contexte de l’étude
Problématique de la qualité de l’eau potable
La distribution d’une eau potable de bonne qualité est l’un des objectifs principaux des municipalités, car la qualité de l’eau est directement reliée à la santé humaine. De manière générale, la définition d’une eau de bonne qualité dépend du cadre réglementaire en vigueur, qui se base sur le suivi et le contrôle de plusieurs paramètres de qualité de l’eau potable. Le cadre réglementaire définit des seuils pour des paramètres qui décrivent la qualité de l’eau de manière individuelle. Ces paramètres décrivent la qualité microbiologique, physico-chimique ou esthétique et sont soumis à la fois aux exigences réglementaires et aux préférences des consommateurs.
En raison des maladies d’origine hydrique, la qualité de l’eau de consommation est devenue une préoccupation majeure (Richardson, 1998; Berger et al., 2006). Le chlore comme premier agent désinfectant a été utilisé pour la première fois à la fin du 19e siècle afin d’inactiver les microorganismes pathogènes présents dans l’eau (USEPA, 2000). Aux États-Unis, les premières réglementations en matière d’eau potable sont apparues en 1974 par l’application du Safe Drinking Water Act pour assurer la distribution d’une eau potable et saine à la population (USEPA, 2004). Les premiers paramètres contrôlés par le cadre réglementaire étaient les paramètres microbiologiques. Différents indicateurs de la salubrité de l’eau potable ont été définis pour surveiller la qualité microbiologique de l’eau, comme les coliformes totaux, les coliformes fécaux (dont l’Escherichia Coli), les entérocoques et les bactéries hétérotrophes aérobies et anaérobies facultatives (BHAA) (INSPQ, 2004). Les règlements et les recommandations sur la qualité de l’eau potable soulignent qu’aucun coliforme fécal ne doit être présent dans l’eau potable (USEPA, 2009; Santé Canada, 2012). De plus, pour le traitement des eaux de surface, ils imposent une inactivation de certains microorganismes (Cryptosporidium, Giardia) de deux ou trois log, ce qui signifie l’élimination respective de 99,0 % ou 99,9 % des microorganismes en question (Crittenden et al., 2005a).
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À part sa microbiologie, la qualité de l’eau est souvent caractérisée par des paramètres simples à mesurer et à interpréter. Parmi les paramètres traditionnels, on retrouve le pH et la température, par exemple. La turbidité est la mesure des particules en suspension (incluant des colloïdes) qui entraînent un aspect trouble de l’eau. Ces particules n’ont pas d’effet direct sur la santé, mais peuvent abriter les microorganismes et donc les protéger de la désinfection (CCME, 2004). De plus, la turbidité est souvent utilisée comme un indicateur de la performance du traitement pour l’enlèvement des protozoaires (Valster et al., 2011; Santé Canada, 2013). Le carbone organique total (COT) ou dissous (COD) est un indicateur de la matière organique en suspension et en solution. La matière organique ne présente pas de danger direct, mais en réagissant avec le désinfectant il peut former des sous-produits de désinfection (SPD). L’analyse de l’absorbance ultraviolet à 254 nm (UV254) est souvent utilisée comme un indicateur de la présence de composés aromatiques ou de composés organiques avec une ou plusieurs liaisons doubles ou triples dans la matière organique présente (Weishaar et al., 2003; INSPQ, 2004). Aujourd’hui, il n’existe pas de normes concernant la valeur de l’UV254. Cependant, les gouvernements du Canada et des États-Unis recommandent une turbidité inférieure à 1 UNT à la sortie de l’usine de traitement afin d’assurer l’efficacité du désinfectant et le maintien de la qualité de l’eau en réseau de distribution (USEPA, 2009; Santé Canada, 2012). Au Québec, la turbidité de l’eau distribuée ne doit jamais dépasser 5.0 UNT, mais afin de vérifier l’efficacité de traitement, un seuil de vérification de 0.5 UNT est mis en place pour les réseaux s’approvisionnant de l’eau de surface (Gouvernement du Québec, 2012).
Les paramètres chimiques réfèrent à la composition chimique de l’eau. Dépendamment de la source, l’eau potable peut être chargée de différents métaux (fer, manganèse, cuivre, plomb, zinc, etc.) et d’ions (phosphates, nitrites, nitrates, etc.) (Azoulay et al., 2001; Horak et al., 2010). Outre ces composés inorganiques, certains composés organiques peuvent être également présents dans l’eau potable. Parmi ces composés, on retrouve des molécules issues de la désinfection de l’eau pendant traitement ou de la réaction du désinfectant résiduel dans le réseau de distribution. En effet, un résiduel de désinfectant (par exemple du chlore libre) doit être maintenu dans le système de distribution afin de minimiser la croissance bactérienne (Reilly and Kippin, 1983; Zhang and DiGiano, 2002; CCME, 2004). Malgré ses effets bienfaisants, l’utilisation d’un agent désinfectant entraîne la formation de
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SPD, découverts par Rook en 1974 (Rook, 1974). Les SPD se forment par la réaction du désinfectant avec la matière organique naturelle (MON) de l’eau (acides humiques, acides fulviques, etc.) (Singer, 1999; Wei, et al., 2008; Richardson and Postigo, 2012). Les SPD ont attiré l’attention des scientifiques à cause de leurs potentiels effets négatifs sur la santé humaine (Richardson, 1998; Boorman, et al., 1999). Les différentes familles de SPD issus de la chloration de l’eau ont été répertoriées, parmi lesquelles certaines sont sujettes à des réglementations ou des recommandations, notamment les trihalométhanes (trichlorométhane - TCM, dichloro-bromométhane – DCBM, dibromo-chlorométhane – DBCM, tribromométhanes – TBM) et les acides haloacétiques (acides monochloroacétique – MCAA, dichloroacétique – DCAA, trichloroacétique – TCAA, monobromoacétique – MBAA et dibromoacétique – DBAA). Au Canada, la concentration de ces composés est recommandée à 100 µg/l (moyenne annuelle basée sur des prélèvements trimestriels) pour la somme des quatre trihalométhanes (THM) et à 80 µg/l pour la somme des cinq acides haloacétiques (AHA) (Santé Canada, 2012). Cependant, les provinces peuvent avoir des exigences plus strictes. Par exemple, au Québec, les THM sont réglementés à 80 µg/l et les AHA à 60 µg/l (Gouvernement du Québec, 2012). Ces valeurs correspondent aux normes de l’USEPA (USEPA, 2009). Des études récentes ont mis en évidence de nouvelles familles de composés issus de la chloration dont la concentration dans l’eau est nettement inférieure à celle des THM ou des AHA, mais qui sont caractérisés par une toxicité plus élevée (Morris et al., 1992; Villanueva, 2003; Richardson et al., 2007). Ces sous-produits de désinfection émergents (SPDE) font l’objet de multiples études pour comprendre leur occurrence, leur formation, et leurs effets potentiels sur la santé humaine. Parmi ceux-ci, les haloacétonitriles (HAN), les halocétones (HC) et la chloropicrine (CP) sont les familles les plus étudiées (Krasner et al., 2006). Présentement il n’existe aucune recommandation ou réglementation concernant ces SPDE.
Les consommateurs sont très sensibles à la qualité de l’eau potable et se préoccupent des risques potentiels liés aux contaminants microbiologiques et chimiques. Or, ces derniers sont difficilement détectables. Ce sont plutôt les aspects esthétiques qui sont perçus par le public. Les goûts et les odeurs sont les principales caractéristiques influençant la perception des consommateurs (Young et al., 1996; Proulx et al., 2010a; de França Doria, 2010). Ces qualités esthétiques de l’eau potable dépendent principalement de la composition chimique
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de l’eau. Premièrement, l’eau brute peut contenir des composés produits par certaines algues ou cyanobactéries (géosmine, méthylisobornéol, isobutyl-3-methoxypyrazine, 2-isopropyl-3-methoxyprazine, et 2,4,6-trichloroanisole) (CCME, 2004; Proulx et al., 2010b; Crittenden et al., 2005b). De plus, le chlore et ses dérivés a également un goût prononcé, et il peut être perceptible à partir d’une concentration de 0,2 mg/l (Crittenden et al., 2005b; de França Doria, 2010; Nagata, et al., 2011). Outre de ces composés, la présence de certains ions peut également apporter un goût à l’eau. Parmi ces ions, on retrouve des ions métalliques (Fe2+, Mn2+), mais aussi des sulfites, par exemple (Crittenden et al., 2005c).
Gestion de l’eau de la source au robinet
Les normes et les recommandations poussent les municipalités à appliquer un système de gestion de l’eau potable, qui inclut non seulement la filière de traitement, mais également la gestion de la source et des opérations ponctuelles effectuées par les opérateurs. La Figure 0.1 schématise les éléments qui ont une influence considérable sur la qualité finale de l’eau potable. Les principaux éléments identifiés sont l’eau brute, le traitement et la distribution.
Les trois types de caractéristiques de l’eau potable (microbiologique, physico-chimiques, et esthétique) sont influencés directement par l’eau brute. En effet, certaines caractéristiques physico-chimiques, comme le pH, sont directement reliées à la composition de l’eau brute (Crittenden et al., 2005c). De plus, des algues et d’autres microorganismes présents dans la source, par leur décomposition, produisent des composés organiques aromatiques qui sont responsables en partie des goûts et odeurs de l’eau. La qualité chimique de l’eau est également influencée par la MON, car elle va exercer une demande de désinfectant et constitue l’un des précurseurs des SPD.
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Figure 0.1: Différentes étapes influençant la qualité finale de l’eau potable
L’eau potable est produite à partir d’une source d’eau de surface ou souterraine. À cause de leur exposition directe aux variables environnementales (température, précipitations, pentes, végétation etc.), et aux activités anthropiques (urbaines, agricoles, etc.), les eaux de surface sont plus vulnérables vis-à-vis des contaminations que les eaux souterraines (Jordan et al., 2014). En effet, le climat dans lequel se trouve la source d’eau est en grande partie responsable de ces effets, car la température, la quantité et la nature de la précipitation conditionnent l’état de l’eau brute. De plus, le climat définit le nombre, la longueur et les caractéristiques des saisons. En effet, la variabilité saisonnière des conditions
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météorologiques affecte considérablement la qualité de la source. D’ailleurs, plusieurs études ont documenté la variabilité saisonnière de la qualité de l’eau brute (Fokmare and Mussadiq, 2001; Evans et al., 2005; Ouyang, 2006; Chen et al., 2008). En particulier, Won et al. (2013) ont reporté un niveau de coliformes fécaux plus élevé pendant les périodes de pluies, ce qui correspond également à des pics de teneur en COT, constituant un important indicateur des précurseurs de SPD. Concernant la température, des analyses effectuées au cours des saisons chaudes ont révélé la présence plus importante de molécules responsables des goûts et odeurs que pour les périodes plus froides (Westerhoff et al., 2005). Également, les températures plus élevées résultent une prolifération et une dégradation plus importante des microorganismes, et, indirectement, en une augmentation de concentration de COT (Sharp et al., 2006; Wei et al., 2008).
Outre que ces changements à court terme (en jours ou en mois), les caractéristiques climatiques sont également variables à long terme. Les problématiques du changement climatique se traduisent par une modification dans la température, les précipitations, les vents, ainsi que l’enneigement (Lemmen et al., 2008). Parmi nombreuses études menées sur le sujet, les estimations de Bates et al. (2008) prévoient une augmentation de la température de l’air de 1,8 à 4,0 °C pour le 21e siècle et la diminution du nombre de jours de pluie avec une augmentation de quantité moyenne de précipitation par pluie (Brunetti et al., 2001). Ces modifications pourraient affecter la qualité de l’eau brute. Premièrement, la conséquence directe des températures de l’air plus élevées est l’augmentation des températures des eaux de surface (Ducharne et al., 2007; Bates et al., 2008). Ces températures aquatiques mènent à une concentration de matière organique plus élevée (Evans et al., 2005; Monteith et al., 2007), ce qui signifie une teneur plus importante de précurseurs de SPD. Le pH, la quantité de nutriments, ainsi que les micropolluants organiques et inorganiques sont également affectés (Ducharne, et al., 2007; Bates et al., 2008; Van Vliet and Zwolsman, 2008). Globalement, le phénomène des changements climatiques résulterait une diminution de l’efficacité de traitement, et par conséquent, une qualité d’eau potable moindre (Curriero et al., 2001; Charron et al., 2004).
La qualité de l’eau brute est le premier facteur ayant un impact majeur sur la qualité finale de l’eau potable, car ses caractéristiques définissent le choix du traitement. À des fins de
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potabilisation, l’eau de la source doit traverser plusieurs étapes. Indépendamment de la taille de la municipalité desservie, la désinfection est une étape obligatoire dans le processus de potabilisation des eaux de surface (Gouvernement du Québec, 2012), car elle vise à réduire les contaminations microbiologiques. Cette réduction peut être atteinte par une seule étape de désinfection, ou par une combinaison des traitements physiques et de désinfection. Pendant l’étape de la désinfection, l’inactivation des microorganismes dépend du produit du temps de contact effectif (t) et de la concentration du désinfectant (C). Afin de rendre la désinfection plus efficace, il est donc possible de jouer sur le temps de contact ou sur la concentration du désinfectant (CCME, 2004). En fonction du cadre réglementaire et des possibilités financières locales, le traitement peut être complété selon les besoins et selon les conditions dictées par la qualité de l’eau brute. La coagulation, la floculation, la décantation, la filtration et d’autres traitements physico-chimiques diminuent la quantité de contaminants présents dans l’eau brute, incluant la turbidité et les précurseurs des SPD et des parasites (Hua and Reckhow, 2008; Zidane et al., 2010; Chen and Westerhoff, 2010). Des traitements particuliers peuvent être requis selon la présence de problèmes spécifiques de l’eau (par exemple, présence de fer, de manganèse ou de dureté, notamment pour les eaux souterraines). Pendant la production de l’eau potable, plusieurs étapes peuvent influencer la qualité esthétique de l’eau produite. Premièrement, il existe des traitements afin de réduire la concentration des composés responsables de goûts et d’odeurs. Les traitements les plus utilisés sont l’adsorption sur charbon actif ou l’élimination par oxydation (ozone, par exemple). La désinfection par le chlore peut réduire les sulfites, mais elle est inefficace contre les composés produits par des microorganismes (Glaze et al., 1990; Hargesheimer and Watson, 1996).
La dernière étape de la production de l’eau potable est sa distribution, qui est une étape cruciale pour son pouvoir de conserver ou de modifier la qualité de l’eau. En effet, les caractéristiques des infrastructures (matériaux utilisés, dimensions, nombre de nœuds, etc.) et la taille du réseau de distribution ont un impact majeur sur la qualité finale de l’eau distribuée. Des études distinguent les petits réseaux des grands réseaux selon la population desservie. Les réseaux desservant moins de 5 000 habitants sont appelés « petits réseaux », et ont une dimension spatiale moins importante que les grands réseaux (USEPA, 2004). La notion de spatialité est un élément clé dans la gestion de l’eau potable. Plusieurs études ont
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documenté une variabilité spatiale de la qualité de l’eau potable due au temps de séjour, au biofilm sur les parois des canalisations ou aux contaminations par intrusion (Coulibaly and Rodriguez, 2003; Proulx et al., 2012; Lee et al., 2013; Pluchon et al., 2013; Uyak et al., 2014, McCoy and VanBriesen, 2014). Selon la littérature, les paramètres les plus variables dans le réseau sont le chlore résiduel et les SPD. En fait, le chlore résiduel libre agit sur la MON dans le réseau, et, dépendamment du temps de séjour et de la quantité de MON disponible, contribue à la formation continue de SPD. Parmi les SPD, les THM s’accumulent en ayant une concentration maximale en extrémité, tandis que les AHA peuvent être dégradés en partie, dû au biofilm, ou au temps de séjour élevé (Rodriguez et al., 2004; Hozalski et al., 2008; Pluchon et al., 2013). Il ne faut pas oublier que la qualité finale de l’eau potable dépend également des habitudes de consommation et des dispositifs mis en place par les consommateurs dans leur résidence (Jorgensen, 2009; Edwards et al., 2012).
Il est important de remarquer que, de la source au robinet, les étapes de la production d’eau potable (la source, le traitement, le réseau) font partie d’une unité plus globale: la gestion intégrée de l’eau potable. À partir du choix et de l’ajustement du traitement jusqu’à la surveillance régulière dans le réseau, les opérateurs d’eau potable assurent le bon fonctionnement du système. Par conséquent, l’opérateur est au cœur de la gestion de la qualité de l’eau potable, et est responsable de l’approvisionnement au complet. Cet élément humain de la production de l’eau sous-entend l’inclusion d’une variabilité dans la qualité d’opération. Plusieurs études se sont intéressées à déterminer les différents éléments de la performance humaine dans des tâches industrielles diverses et ont démontré qu’il existe une variabilité de la performance (Wickens and Hollands, 2000; U.S. Nuclear Regulatory Commission Office of Nuclear Regulatory Research, 2002; Hallbert et al., 2006; Chang and Wang, 2010). À ce jour, il n’y a pas eu de recherche effectuée sur les facteurs humains opératoires dans le domaine de l’eau potable. Cependant, des auteurs ont étudié les causes des maladies d’origine hydrique, et une grande partie des accidents étaient mis en lien avec l’erreur humaine (Hrudey and Hrudey, 2004). Aujourd’hui, il existe un manque réel sur la documentation de l’impact du facteur humain et de sa variabilité sur la qualité de l’eau potable.
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Défis liés à la production de l’eau potable dans les grands et petits réseaux
La complexité de la gestion de l’eau potable cache des difficultés et des obstacles. Chaque étape de la production de l’eau présente des problématiques plus ou moins considérables en fonction de la taille de la municipalité. En effet, contrairement aux réseaux de grande taille, les petits réseaux (population inférieure à 5 000 habitants) se trouvent généralement à l’écart de l’intérêt public et des axes économiques. Par conséquent, leur capacité financière est limitée, ce qui influence les choix stratégiques tout au long de la gestion (Dore et al., 2013). Indépendamment de la taille du réseau, le défi principal de chaque municipalité est de fournir une eau potable dont la qualité est conforme aux normes et recommandations, non seulement pour éviter les maladies d’origine hydrique, mais également pour satisfaire les besoins des consommateurs. Pour répondre à ces exigences, le premier critère est le choix adéquat de la source. La qualité de la source est un défi permanent, surtout quand l’approvisionnement s’effectue à partir d’une eau de surface. La vulnérabilité de la prise d’eau demande une attention particulière et des plans d’action élaborés en cas de contamination (Sabatier et al., 2005; Iglesias, 2007). Tandis que les grands réseaux disposent généralement de sources principales, secondaires et d’urgence, les petits réseaux accèdent souvent à une seule prise d’eau et souvent n’ont pas d’alternative dans les périodes de crise (contamination, sécheresse, etc.) (Davies and Mazumder, 2003). Également, ils sont dépourvus de plans de protection, ce qui affecte directement la qualité de l’eau potable produite (Patrick, 2011). Par exemple, selon une étude effectuée dans les petits réseaux, la teneur excessive en SPD est directement liée à la mauvaise qualité de la source (Charrois et al., 2004). De plus, la variabilité temporelle de la qualité de l’eau brute rajoute un défi important, car le traitement appliqué doit être adéquat (ou au moins ajustable) pour tout événement météorologique. Les études menées sur la variabilité saisonnière de la qualité de l’eau brute ont fourni des informations précieuses qui guident les opérateurs à déterminer et à prévoir les fluctuations importantes de la qualité de la source (Ouyang, 2006; Sharp et al., 2006; Rodriguez et al., 2007; Wei et al., 2008; Won et al., 2013). Souvent, ces indications définissent les périodes ou les mois dans l’année où une altération de la qualité de l’eau brute est à anticiper. Malheureusement, avec les changements des conditions climatiques à long terme, la connaissance de ces périodes perd de l’utilité à cause des perturbations de la température et des précipitations. Cette nouvelle
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problématique crée le besoin de pouvoir déterminer des périodes de risque à l’aide des paramètres facilement mesurables, au lieu de se fier à des schémas temporels fixes. De plus, l’étude de Delpla et al. (2011) souligne que le phénomène des changements climatiques pourrait entrainer l’augmentation de la teneur en COT, ce qui touchera davantage les petits réseaux dépourvus d’équipement pour enlever complètement les précurseurs de SPD (Curriero et al., 2001).
La qualité de la source conditionne le choix du traitement. Généralement, les grands réseaux disposent d’un traitement assez robuste pour pouvoir fournir une eau potable d’une qualité stable dans l’année. L’étape de désinfection est communément précédée par des traitements physico-chimiques, comme la coagulation, la floculation et la filtration (selon les caractéristiques de la source mais également selon les obligations réglementaires). Dans ce cas, la fluctuation de la qualité microbiologique et physico-chimique de l’eau brute affectera à peine la qualité finale de l’eau produite. Cependant, les petits réseaux, n’ayant pas de ressources financières assez élevées, se voient souvent dépourvus d’installations robustes et doivent fréquemment se contenter d’une simple étape de désinfection (CWWA, 1998; Federation of Canadian Municipalities and National Research Council, 2004; Conestoga-Rovers and Associates, 2010). Dans ces cas et en particulier lorsqu’il s’agit d’une source de surface, la variabilité temporelle de la qualité de l’eau brute pourrait davantage affecter la variabilité de la qualité de l’eau traitée.
Pour son coût moindre, le chlore est l’agent désinfectant le plus couramment utilisé dans les petits réseaux (Dore et al., 2013). Malgré ses effets bactéricides, il est également responsable de la formation des SPD et est une source de goûts et odeurs dans le réseau. C’est donc un défi important de trouver un dosage optimal de désinfectant pour maximiser ses effets bénéfiques tout en minimisant ses conséquences néfastes. Bien que des chercheurs se sont récemment intéressés au développement d’outils pour l’amélioration de la gestion de la chloration (Cozzolino et al., 2005; Tabesh et al., 2011), il n’existe aucune stratégie simple et universelle qui pourrait être facilement appliquée par des gestionnaires d’eau potable. Cette problématique devient encore plus importante dans nombreux petits réseaux, où les opérateurs d’eau ne disposent que de la désinfection pour contrebalancer les lacunes techniques. De plus, ils optent fréquemment pour une utilisation excessive de
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chlore (Coulibaly and Rodriguez, 2003), afin d’assurer une concentration de chlore libre détectable jusqu’à l’extrémité du réseau. Ce choix stratégique peut être également expliqué par l’état et les dimensions du réseau de distribution. En effet, même les grands réseaux rencontrent des problèmes liés aux fuites, à l’intrusion de contaminants ou à la stagnation de l’eau (LeChevallier et al., 2003, Ercumen et al., 2014). Par contre, ils sont en mesure de résoudre ces situations par les inspections plus fréquentes ou par les rajouts de postes de rechloration. Malheureusement, les petits réseaux n’ont généralement pas les moyens financiers pour ces solutions, et, par conséquent, la dégradation de la qualité de l’eau potable dans le réseau de distribution peut être plus importante que dans les grands réseaux. Également, à cause de leur petite taille, la consommation de l’eau est moindre, ce qui entraîne un débit d’eau plus faible et une stagnation de l’eau plus importante que dans les grands réseaux (Coulibaly and Rodriguez, 2003).
La variabilité spatiale de la qualité de l’eau potable a été étudiée en détail, cependant très peu de recherches se sont intéressées aux petits réseaux. Donc, aux limitations financières s’ajoute une difficulté issue du manque d’information sur la variabilité de la qualité de l’eau potable. La gestion efficace de la production de l’eau est un grand défi même pour les grands réseaux. L’organisation des opérations, de la maintenance et du suivi doit fonctionner d’une façon routinière, avec une réaction très sensible et rapide aux situations de risque. Tout cela est assuré par des ressources financières et humaines importantes entièrement dédiées à la gestion de l’eau. D’un autre côté, les coûts élevés des opérations et de la maintenance limitent les petits réseaux à employer des moyens adéquats (Dore et al., 2013). En outre, les ressources humaines sont également restreintes, car souvent l’unique opérateur est à la fois responsable de la gestion de l’eau, des constructions, de la gestion des déchets ou d’autres tâches diverses. De plus, il est courant que, compte tenu d’un manque de ressources, ces réseaux fassent appel à des opérateurs moins expérimentés (Environmental Operators Certification Program, 2010). L’introduction d’un facteur humain dans la production de l’eau potable rajoute une source supplémentaire d’erreur et de risque, qui peut peser davantage sur les petites municipalités (Deacon et al., 2010).
L’élément le plus important de la gestion de la qualité de l’eau potable (indépendamment de la taille du réseau) est l’information. Tous les choix stratégiques et interventions doivent
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être effectués en se basant sur des informations justes et récentes. Comme mentionné précédemment, la plupart des études ont investigué les grands réseaux, qui, de manière générale, possèdent de l’information abondante sur la variabilité spatio-temporelle de la qualité de l’eau potable (Giannoulis et al., 2004; Al Khatib et al., 2005; Francisque et al., 2009). De leur côté, les petits réseaux n’ont pas accès à des données aussi complètes. Dans de nombreux cas, la qualité de l’eau potable dans les petits réseaux est documentée par les suivis effectués dans le cadre des obligations réglementaires ou par des suivis réalisés directement par les autorités gouvernementales. Bien que ces bases de données soient riches, incluant tous les paramètres réglementés, elles sont souvent peu utiles pour que les opérateurs de petits réseaux puissent les intégrer dans la gestion routinière (par exemple pour faire des ajustements dans les opérations). Cette barrière à l’accès à l’information requiert le développement d’outils d’information simples destinés aux opérateurs de petits réseaux, pour qu’ils puissent accéder à l’information d’une façon directe et autonome.
Les comparaisons précédentes ont mis en évidence les difficultés considérables des petits réseaux face aux aléas complexes de la gestion de l’eau potable (Hrudey, 2008; Patrick, 2011; Wheater and Gober, 2013). Les ressources financières limitées obligent les petits réseaux à faire des choix et souvent à employer un traitement basique, dont l’opération a un coût plus élevé que dans les grands réseaux (Davies and Mazumder, 2003; Dore et al., 2013). La gestion devient encore plus ardue avec la variabilité de certains éléments. En effet, à la variabilité temporelle de la qualité de la source et de la qualité des opérations ponctuelles s’ajoute une variabilité spatiale de la qualité de l’eau potable. Deux problématiques spécifiques aux petits réseaux sont souvent documentées: soit une teneur élevée de chlore libre et des SPD excédant les seuils réglementés, soit une absence du chlore résiduel dans le réseau et une présence de coliformes (Coulibaly and Rodriguez, 2003; Helbling et al., 2008, Pitkänen et al., 2011; Sekar et al., 2012). En conséquence, les petits réseaux parviennent plus difficilement à maintenir une qualité stable de l’eau potable, et présentent une vulnérabilité plus importante envers les contaminations microbiennes. Cette vulnérabilité se traduit également par le nombre d’avis d’ébullition, dont la majorité est émise dans les petits réseaux (Maal-Bared et al., 2008; National Collaborating Centres for Public Health, 2011; Edwards et al., 2012). Et résultat d’une contamination microbiologique peut être fatal. Les tragédies de Walkerton, de Kashechewan et de North
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Battleford sont des tristes exemples des conséquences possibles des réseaux mal gérés (Stirling, et al., 2001; Walkerton Commission of Inquiry, 2002; Hrudey, 2003; Maal-Bared et al., 2008). Aujourd’hui environ 20 % de la population Canadienne vit dans des petites municipalités (Statistics Canada, 2011), en conséquence, la vulnérabilité des réseaux d’eau potable de ces municipalités est d’actualité et soulève plusieurs questions importantes :
Comment varie la qualité de l’eau potable dans les petits réseaux de distribution? Quelles sont les origines de cette variabilité spatio-temporelle?
Comment aider les opérateurs des petits réseaux à accéder et à utiliser les informations concernant la variabilité de la qualité de l’eau potable?
La présente thèse de doctorat s’inscrit donc dans ce contexte général de l’état de la qualité de l’eau potable dans les petits réseaux. Elle cherche à répondre aux questions énumérées ci-dessus, afin de contribuer à la gestion de la qualité de l’eau potable dans les petits réseaux de distribution.
II. Objectifs de la thèse
L’objectif principal de la thèse est de contribuer à la compréhension de la variabilité spatio-temporelle de la qualité de l’eau potable dans les petits réseaux de distribution.
Cet objectif principal est réalisé par l’entremise de quatre objectifs spécifiques, qui constitueront les quatre chapitres de la thèse. Tout d’abord, le manque d’information sur la qualité de l’eau potable dans les petits réseaux démontre le besoin d’une description réelle de la variabilité spatio-temporelle de la qualité de l’eau potable dans ces réseaux, ce qui constitue le premier objectif spécifique.
Bien que les bases de données recueillies constituent une source d’information précieuse, en raison de leur complexité, elles sont difficilement intégrables à la gestion routinière. Pour cette raison, le deuxième objectif spécifique consiste à développer un outil d’évaluation globale de la qualité de l’eau potable sous la forme d’un indice de la qualité de l’eau adapté aux conditions des petits réseaux. Le but principal de cet indice est de fournir une information concise et pertinente permettant à l’opérateur de prendre des décisions plus éclairées pour éventuellement gérer les variations de la qualité de l’eau. L’indice envisagé
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représentera la qualité globale de l’eau potable, décrite par un certain nombre de paramètres qui doivent répondre aux exigences réglementaires. La première application de l’indice est d’apporter un plan de surveillance amélioré, en définissant les paramètres et la fréquence des mesures nécessaires pour une représentation complète de la qualité de l’eau potable. En appliquant un indice global, la possibilité de comparer la qualité de l’eau potable dans le temps et dans l’espace devient davantage réalisable. Cet objectif permettra donc de fournir un outil d’information pour les opérateurs de petits réseaux. L’indice développé est destiné aux opérateurs et aux gestionnaires d’eau, grâce à la simplicité de l’expression de l’état global de la qualité de l’eau potable.
L’indice exprime la qualité globale de l’eau potable, et donc permet d’évaluer sa variabilité spatio-temporelle. Mais il ne donne aucune information sur les origines et les raisons de cette variabilité. Au cours du processus de la production d’eau potable (Figure 0.1), les facteurs ayant le plus de variabilité temporelle sont la qualité de la source (incluant le climat) et la qualité des opérations ponctuelles. Pour cette raison, le troisième et le quatrième objectif se concentrent sur ces éléments de la production d’eau potable. Plus précisément, le troisième objectif vise à déterminer l’impact de la qualité de l’eau brute et des facteurs climatiques sur la variabilité de la qualité de l’eau potable (exprimée par l’indice développé) et de proposer un outil d’aide à la décision pour les opérateurs des petits réseaux. L’outil développé aide à déterminer les périodes de risque (déterminées par une probabilité de détérioration de la qualité de l’eau potable) se basant sur les paramètres simples à mesurer.
Finalement, parce que les opérateurs constituent le cœur du traitement et, comme mentionné précédemment, leurs interventions sont également variables, le quatrième
objectif spécifique consiste en la détermination de la contribution des facteurs humains
opératoires à la qualité globale de l’eau potable (exprimée par l’indice). Il s’agit d’identifier, d’analyser et de quantifier les éléments humains qui peuvent avoir un impact sur la qualité de l’eau et sur sa variabilité spatio-temporelle. L’atteinte de cet objectif permettra de mettre en évidence l’impact direct et indirect du facteur humain sur la qualité de l’eau potable sur des échelles à long et à court terme. Une meilleure compréhension des facteurs humains opératoires permettrait de mieux évaluer les bénéfices concrets des
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investissements dans la formation des opérateurs et dans l’amélioration de leurs conditions de travail.
III. Bases de données et informations utilisées
Comme mentionné précédemment, les quatre chapitres de la thèse se basent sur les quatre objectifs spécifiques. Afin de les atteindre, différentes bases de données ont été générées. La principale base de données est le résultat de deux programmes d’échantillonnage de la qualité de l’eau et d’enquêtes auprès des opérateurs, organisés dans 25 petits réseaux d’eau potable sélectionnés. Le premier programme a couvert une période allant de septembre 2010 à octobre 2011, tandis que le deuxième a été réalisé à l’été 2012.
Ce projet de doctorat s’inscrit au sein des activités du réseau de recherche pancanadien appelé Rés’EAU WaterNET1, regroupant des scientifiques de sept universités s’intéressant à la gestion de la qualité de l’eau potable des petits réseaux. Dans cette thèse, les petits réseaux d’eau potable des provinces de Québec et de Terre-Neuve et Labrador constituent les études de cas. Ceci s’explique par le partenariat développé avec les autorités gouvernementales de ces deux provinces. Par ce partenariat, ainsi que la coopération des autorités locales, les données historiques sur la qualité de l’eau de certaines municipalités du Québec et de Terre-Neuve et Labrador ont été mises à disposition. Les petits réseaux à l’étude ont été sélectionnés selon les critères suivants :
a.) La taille du réseau : L’étude vise à comprendre la situation des petits réseaux desservant une population inférieure à 5 000 habitants. À Terre-Neuve et Labrador, les réseaux étudiés desservent de 300 à 3 000 habitants, tandis qu’au Québec ces chiffres vont de 500 à 5 000 (à l’exception d’une municipalité d’environ 6 000 habitants).
b.) Le type de la source d’eau : Tous les petits réseaux sélectionnés s’alimentent de sources d’eau de surface. C’est dans ces réseaux que la qualité de l’eau potable est davantage assujettie à des variations temporelles.
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c.) Le type du traitement : L’utilisation du chlore comme agent de désinfection primaire ou secondaire est le principal critère. De plus, des réseaux utilisant des traitements simples ont été favorisés.
d.) Accessibilité : Les municipalités de petite taille se trouvent souvent en milieu rural, coupées des grands axes économiques. Une condition importante lors de la sélection des réseaux a donc été l’accessibilité géographique afin de pouvoir faciliter les visites de terrain et les programmes d’échantillonnage.
e.) Accord des autorités locales : La permission et l’accord des autorités provinciales et municipales étaient primordiaux pour pouvoir accéder aux lieux d’échantillonnage et aux données complètes de la gestion de l’eau potable.
f.) Coopération des opérateurs locaux : Les opérateurs devaient participer activement au projet, en particulier à l’échantillonnage et à des enquêtes de terrain.
Ces critères ont permis de présélectionner un certain nombre de réseaux, parmi lesquels 25 ont accepté de participer et ont été retenus : 14 au Québec et 11 à Terre-Neuve et Labrador. La liste complète et la localisation géographique des réseaux sont présentées en annexe (Annexe A).
Campagnes d’échantillonnage
La première campagne d’échantillonnages a inclus des mesures de la qualité de l’eau une fois par mois pendant une période couvrant 13 mois au total, et ce, afin de prendre compte les variations saisonnières. Pour une meilleure logistique, les échantillons étaient toujours prélevés le lundi ou le mardi matin, avant midi. Au Québec les échantillons étaient collectés par l’équipe de l’Université Laval, tandis qu’à Terre-Neuve et Labrador des opérateurs locaux ont été formés afin de pouvoir envoyer les échantillons dans les délais nécessaires à Québec (Université Laval et laboratoire du CEAEQ du Ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques du Québec).
L’eau brute (EB) a été analysée pour étudier l’impact de la qualité de l’eau de la source sur la qualité de l’eau potable distribuée. L’eau était prélevée directement à la source (lac, rivière) ou dans certains cas à un robinet du poste de pompage ou de l’usine de traitement.
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Dans les municipalités disposant d’un traitement plus complet (cas du Québec), l’eau a également été analysée après les traitements (en général la coagulation, la floculation et la filtration) afin d’obtenir les informations sur les caractéristiques de l’eau avant la chloration (ET – eau traitée). En plus des variations saisonnières, l’évolution spatiale de la qualité de l’eau potable a également été étudiée. Pour cette raison la qualité de l’eau a été évaluée à trois endroits dans le réseau de distribution: au début (R1), au milieu (R2) et à l’extrémité (R3). L’eau a été prélevée après une attente d’au moins cinq minutes à robinet ouvert. Les campagnes de prélèvement ont permis de mesurer différents paramètres dans l’eau brute et dans l’eau traitée et distribuée. Ces paramètres sont les suivants :
- Paramètres physico-chimiques :
pH, température, turbidité, conductivité,
indicateurs MON : absorbance UV254, COT, Chlorophylle A
Qualité chimique : chlore résiduel libre, chlore total, ion bromure, azote ammoniacal
SPD : THM, AHA, SPDE
- Paramètres microbiologiques: coliformes totaux, E. Coli, entérocoques, BHAA - Paramètres esthétiques: précurseurs de goûts et odeurs: 2-Methylisobornéol,
géosmine, 2-Isobutyl-3-Methoxypyrazine, 2-Isopropyl-3-Methoxypyrazine, 2,4,6-Trichloroanisole.
Les différents paramètres considérés selon le point de prélèvement sont présentés en annexe (Annexe B et Annexe C). La première campagne d’échantillonnage portait sur le long terme, et a fourni de l’information aux quatre objectifs de la thèse, directement en données brutes ou sous forme de l’indice de qualité de l’eau potable. Également, des rapports ont été produits pour fournir les données obtenues directement aux municipalités. Un exemple de rapport est consultable dans l’annexe (Annexe O).
Afin de compléter la base de données obtenue lors des premières campagnes d’échantillonnages, un deuxième programme d’échantillonnage a été réalisé pendant l’été 2012. La principale caractéristique de la campagne de 2012 est son intensité. En effet, des échantillons ont été collectés et analysés dans six petits réseaux (choisis parmi les 25 réseaux initiaux - trois réseaux du Québec et trois réseaux de Terre-Neuve et Labrador) à
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une fréquence quotidienne pendant un mois. Les prélèvements ont été effectués par l’équipe de l’Université Laval du lundi au vendredi afin d’étudier la variation temporelle à court terme. Le nombre de points de prélèvement a été également plus élevé par rapport au premier programme d’échantillonnage. Outre l’EB et l’ET, six points (D1, D2, D3, D4, D5, D6) ont été choisis dans le réseau de distribution à des distances similaires. Les lundis, mercredis et vendredis, les échantillons ont été prélevés à tous les points énumérés, tandis que, pour des raisons logistiques, les mardis et les jeudis seuls les points EB, ET et D4 ont été considérés.
Les paramètres retenus pour la campagne intensive ont été les paramètres physico-chimiques et les BHAA. La raison de ce choix est la faible quantité d’information obtenue de l’analyse des autres paramètres microbiologiques et organoleptiques lors de la première campagne. Les paramètres mesurés dans la deuxième campagne ont été donc les suivants :
- Paramètres physico-chimiques :
pH, température, turbidité, conductivité,
indicateurs de MON : UV254, COT, Chlorophylle A
Qualité chimique : chlore résiduel libre et total, bromure, azote ammoniacal
SPD : THM, AHA, SPDE - Paramètres microbiologiques :
BHAA
Le pH, la température, la turbidité et la conductivité ont été mesurés uniquement à l’EB et à l’ET. Les paramètres référant à la MON et à la qualité chimique de l’eau ont été mesurés à l’EB, à l’ET, et à trois points dans le réseau (D1, D4, D6). Les SPD ont été analysés tout au long du réseau de distribution (D1 à D6). Les BHAA ont été analysées uniquement au point D4. Les procédures d’échantillonnage et analytiques sont présentées en annexe (Annexes I, J, K, L).
Cette deuxième campagne d’échantillonnage intensive a contribué au développement de l’indice de la qualité d’eau potable (deuxième objectif) et à l’étude des facteurs humains opératoires (objectif 4).
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Données climatiques
L’information utilisée pour l’étude de l’impact climatique sur la qualité de l’eau potable provenait de différentes sources. Les données pour la province de Québec ont été fournies par le ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques, par leur base de données « Infoclimat » (MDDELCC, 2014). Pour la province de Terre-Neuve et Labrador, la source utilisée était Environnement Canada (Environment Canada, 2014). Les données ont été extraites pour la période des campagnes d’échantillonnage à long terme (octobre 2010 à octobre 2011) à huit différentes stations météorologiques (quatre au Québec et quatre à Terre-Neuve et Labrador). Les stations météorologiques ont été sélectionnées en fonction de leur distance des réseaux étudiés, afin d’être le plus représentatif possible. La distance moyenne des prises d’eau était de 32 km (±14 km). Les facteurs climatiques pris en compte étaient: la précipitation totale, les pluies, l’intensité des précipitations, l’intensité des pluies, les températures moyennes et maximales, l’amplitude des températures journalières et le nombre de jours secs. Ainsi, ces données complètent l’information obtenue lors des campagnes d’échantillonnage afin de pouvoir atteindre le troisième objectif, concernant le développement d’un outil d’aide à la décision pour les opérateurs de petits réseaux et de leur permettre de déterminer les périodes de risques à l’aide des paramètres de l’eau brute et des facteurs climatiques facilement mesurables.
Facteurs humains opératoires
Afin de documenter l’impact des facteurs humains opératoires, des entretiens et des observations ont été réalisés avec les opérateurs responsables des petits réseaux à l’étude. Ces entretiens visaient à étudier en détail le travail des opérateurs, mais également à quantifier l’impact des opérations ponctuelles sur la qualité de l’eau potable. Les enquêtes effectuées servaient donc à compléter l’information purement descriptive de la qualité de l’eau potable collectée pendant les campagnes d’échantillonnage. Deux séries d’enquêtes ont été organisées durant les étés 2011 et 2012. La première série d’entretiens (été 2011) visait à collecter de l’information générale sur la gestion de l’eau potable dans les petits réseaux de distribution, tandis que la deuxième série était conçue afin de pouvoir quantifier l’impact des opérations ponctuelles sur la qualité de l’eau potable.
