Filtration sur berge: une source d eau potable hybride surface/souterrain

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1 Filtration sur berge: une source d eau potable hybride surface/souterrain Paul Baudron, Professeur Ph.D., ing. jr. Département des génies civil, géologique et des mines Webinaires CentrEau 28 mai 2020

2 ALIMENTATION EN EAU POTABLE Solution A Pompage d eau de surface Débits importants Installation = $$$ Qualité/traitement (Variations temporelles) 1

3 UNE RESSOURCE MÉCONNUE 80% de la population rurale du Québec dépend des eaux souterraines 3

4 ALIMENTATION EN EAU POTABLE Solution A Pompage d eau de surface Débits importants Installation = $$$ Qualité/traitement (Variations temporelles) Solution B Pompage d eau souterraine Peu de traitements Installation = $ Débits souvent limités 4

5 UNE RESSOURCE MÉCONNUE Bien souvent, l eau souterraine est vue comme une «boîte noire» Pas visible, pas importante, peu vulnérable. 5

6 UNE RESSOURCE MÉCONNUE Bien souvent, l eau souterraine est vue comme une «boîte noire» Pas visible, pas importante, peu vulnérable. 5

7 ALIMENTATION EN EAU POTABLE Solution A Pompage d eau de surface Débits importants Installation = $$$ Qualité/traitement Variations temporelles Solution B Pompage d eau souterraine Peu/aucun traitement Installation = $ Débits souvent limités Solution C «hybride» Filtration sur berge (FSB) Débits importants Peu de traitement Installation = $ Enjeux de qualité 6

8 LA FILTRATION SUR BERGE Eau de pompage Eau de surface Filtration Biodégradation Adsorption Précipitation Réactions rédox Eau souterraine 7

9 LA FILTRATION SUR BERGE Combine avantages eau de surface + souterraine à Minimise les traitements de potabilisation à Soulage la pression sur les aquifères à Réduit les coûts Eau de pompage Eau de surface Filtration Biodégradation Adsorption Précipitation Réactions rédox Eau souterraine 7

10 LA FILTRATION SUR BERGE Combine avantages eau de surface + souterraine à Minimise les traitements de potabilisation à Soulage la pression sur les aquifères à Réduit les coûts RPEP: pas de norme dédiée, utilisation des normes eau souterraine RQEP: normes ESSIDES (Eaux Souterraines Sous Influence Directe De l Eau de Surface) Eau de pompage Eau de surface Filtration Biodégradation Adsorption Précipitation Réactions rédox Eau souterraine 7

11 «UNE SOLUTION ANCIENNE À UN PROBLÈME ACTUEL» Un peu d histoire: depuis les années 1800 en Europe Sites de filtration sur berge 1800s: Berlin, Belgrade, Amsterdam 1950s: États-Unis Suisse: 80% des puits Allemagne: 10% des puits Adapté de Sprenger et al. (2017) Hydrogeology Journal 8

12 «UNE SOLUTION ANCIENNE À UN PROBLÈME ACTUEL» Un peu d histoire: depuis les années 1800 en Europe Sites de filtration sur berge 1800s: Berlin, Belgrade, Amsterdam 1950s: États-Unis Malgré le retour d expérience: Suisse: 80% des puits Allemagne: 10% des puits à Difficile évaluation de la vulnérabilité des captages à Et de sa variabilité spatiotemporelle! Adapté de Sprenger et al. (2017) Hydrogeology Journal 8

13 ENJEUX : AUJOURD HUI Régime transitoire d écoulement (pompage, débits de surface, recharge hors hiver) à Temps de séjour de l eau, origine et taux de mélange très variables Régime transitoire biogéochimique (température, composition chimique, charge de contaminants, conditions rédox) à Rôle majeur sur la fluctuation de la charge de contaminants Tiré de USGS,

14 ENJEUX : AUJOURD HUI Régime transitoire d écoulement (pompage, débits de surface, recharge hors hiver) à Temps de séjour de l eau, origine et taux de mélange très variables Régime transitoire biogéochimique (température, composition chimique, charge de contaminants, conditions rédox) à Rôle majeur sur la fluctuation de la charge de contaminants Tiré de Bourg et al.,

15 ENJEUX : AUJOURD HUI Qualité eau souterraine Paramètres connus ou plutôt simples à évaluer Débit de pompage Qualité eau de surface Paramètres hydrogéologiques 11

16 ENJEUX : AUJOURD HUI Qualité eau souterraine Paramètres connus ou plutôt simples à évaluer Débit de pompage Paramètres complexes, variables temporellement et spatialement Paramètres hydrogéologiques Temps de résidence Taux de mélange Réactions biogéochimiques Qualité eau de surface 11

17 ENJEUX : AUJOURD HUI Qualité eau souterraine Paramètres connus ou plutôt simples à évaluer Débit de pompage Paramètres complexes, variables temporellement et spatialement Paramètres hydrogéologiques Temps de résidence Taux de mélange Réactions biogéochimiques Qualité eau de surface 11

18 ENJEUX : CONTEXTE DE CHANGEMENTS CLIMATIQUES (txt) Extrêmes hydrologiques Changements climatiques Température + Micropolluants Quantité d eau disponible Innondations, étiages Qualité de la source d eau Eau de surface: Débit, ruissellement, évaporation Colmatation du lit Eau souterraine: Recharge, décharge Temps de résidence Conditions rédox Eau de surface: Contaminants Colmatation du lit Eau souterraine: Contaminants Altération de la capacité d épuration? Relargage substances stockées? Adapté de Sprenger et al.,

19 ENJEUX : LOCALISER ET CLASSIFIER LES SITES DE FSB 13

20 ENJEUX : LOCALISER ET CLASSIFIER LES SITES DE FSB Sources d eau potable municipales au Québec Patenaude et al.,

21 ENJEUX : LOCALISER ET CLASSIFIER LES SITES DE FSB Sources d eau potable municipales au Québec Puits d alimentation en eau potable au Québec Patenaude et al., 2020 Patenaude et al.,

22 ENJEUX : LOCALISER ET CLASSIFIER LES SITES DE FSB Sources d eau potable municipales au Québec Puits d alimentation en eau potable au Québec Patenaude et al., 2020 Patenaude et al., 2020 > 50% des puits municipaux au QC en filtration sur berges? 13

23 OBJECTIFS DU PROGRAMME DE RECHERCHE Anticiper la capacité des systèmes de FSB à supporter l évolution des contraintes anthropiques et climatiques au Québec. 1) Quantifier et définir une typologie des sites de FSB au Québec 2) Développer des méthodes simples de caractérisation de la vulnérabilité des sites de FSB (variabilité des temps de séjour, taux de mélange) 3) Proposer des modèles de gestion basés sur des séquences d exploitation optimales des champs captants 4) Explorer la sensibilité des systèmes de FSB aux changements climatiques selon leur contexte hydrogéomorphologique 14

24 ÉQUIPE DE RECHERCHE À POLYTECHNIQUE MONTRÉAL 15

25 NOTRE APPROCHE Notre approche: Géologie + Piézométrie + Multitraceurs Traceurs artificiels Traceurs naturels du cycle de l eau 16

26 NOTRE APPROCHE Traceurs naturels du cycle de l eau Paramètres physico-chimiques (T, CE, ph, redox) Chimie de l eau (ions majeurs et mineurs, alcalinité) Isotopes stables (δ 18 O δ 2 H) Isotopes radiogéniques ( 222 Rn) En développement 17

27 EXEMPLES DE TRAVAUX Développement de méthodes simples de caractérisation: A) Origine de l eau et mélanges - suivi - Exemple de démarches - Hydrogéologies complexes A) Effet d une crue B) Optimisation des stratégies de suivi C) Détermination des temps de résidence État des lieux de la situation au Québec E) Localisation et vulnérabilité des sites de FSB au Québec 18

28 A) ORIGINE DE L EAU ET MÉLANGES Origine de l eau pompée? Variable dans le temps et l espace? Masse-Dufresne et al. (2019) Masse-Dufresne et al. (2019) 19

29 A) ORIGINE DE L EAU ET MÉLANGES suivi et d échantillonnage temporel: Paramètres physicochimiques (T, CE, ph, redox) Ions majeurs et alcalinité Fer et manganèse 20

30 A) ORIGINE DE L EAU ET MÉLANGES Exemple de démarche 1) Identification d un proxy du taux de mélange Masse-Dufresne et al. (2019) 21

31 A) ORIGINE DE L EAU ET MÉLANGES 1) 21

32 A) ORIGINE DE L EAU ET MÉLANGES 1) 2) Contrôle météorologique et par pompage Taux de mélange variables Pompage continu / intermittent / occasionnel Variabilité importante en hiver (régimes de pompage) Adapté de Masse-Dufresne et al. (2019) 22

33 A) ORIGINE DE L EAU ET MÉLANGES 1) 2) 22

34 A) ORIGINE DE L EAU ET MÉLANGES 1) 3) Abaque de prédiction de la qualité de l eau pompée 2) Masse-Dufresne et al. (2019) 23

35 A) ORIGINE DE L EAU ET MÉLANGES 1) 2) 3) 23

36 A) ORIGINE DE L EAU ET MÉLANGES 1) 4) Schémas de pompage pour limiter Fe et Mn dissous 2) 3) Masse-Dufresne et al. (2019) 24

37 A) ORIGINE DE L EAU ET MÉLANGES Taux de mélange Abaque de prédiction Choix des mesures géochimiques Suivi temporel POINTS CLÉS 1. Paramètres de suivi et monitoring peu couteux et robustes pour la caractérisation de l origine de l eau 2. Abaque de prédiction de la qualité de l eau pompée en fonction des débits de pompage 25

38 A) ORIGINE DE L EAU ET MÉLANGES Contextes hydrogéologiques plus complexes: à Utilisation de traceurs géochimiques et isotopiques spécifiques Adapté de Pontoreau et al.. (2019) 26

39 EXEMPLES DE TRAVAUX Développement de méthodes simples de caractérisation: A) Origine de l eau et mélanges B) Effet d une crue C) Optimisation des stratégies de suivi D) Détermination des temps de résidence État des lieux de la situation au Québec E) Localisation et vulnérabilité des sites de FSB au Québec 27

40 B) EFFET D UNE CRUE 28

41 B) EFFET D UNE CRUE Puits 1 en pompage continu: maintien d un cône de rabattement («barrière hydraulique»)? Masse-Dufresne et al. (2018) 29

42 B) EFFET D UNE CRUE Puits 1 en pompage continu: maintien d un cône de rabattement («barrière hydraulique») Masse-Dufresne et al. (2018) 29

43 B) EFFET D UNE CRUE (txt) Crue Adapté de Masse-Dufresne et al. (2018) Masse-Dufresne et al. (2018) 30

44 B) EFFET D UNE CRUE Stockage de l eau dans la berge Masse-Dufresne et al. (2020) soumis 31

45 B) EFFET D UNE CRUE Qualité de l eau pompée Résilience du système de FSB face à une crue Suivi hydrologique et géochimique Évolution de l origine de l eau Inondation 32

46 EXEMPLES DE TRAVAUX Développement de méthodes simples de caractérisation: A) Origine de l eau et mélanges B) Effet d une crue C) Optimisation des stratégies de suivi D) Détermination des temps de résidence État des lieux de la situation au Québec E) Localisation et vulnérabilité des sites de FSB au Québec 33

47 C) OPTIMISATION DES STRATÉGIES DE SUIVI Données Modèle conceptuel hydrogéochimique Apportspor la gestion de sites de FSB - Données hydrogéologiques et géochimiques Tendances générales, taux de pompage EC, δ 18 O Température Hydrosystème Local Représentativité spatiale Dynamiques d écoulement Hétérogénéités d écoulement Contrôle sur la qualitéde l eau Evolution de l originede l eau Précurseursde propagation accéléréede contaminants + Compréhensionde la vulnérabilité à une contamination microbiologique Modifié de Masse-Dufresne et al Modulation des séquencesde pompage Anticipation de possible changementsde qualité 34

48 EXEMPLES DE TRAVAUX Développement de méthodes simples de caractérisation: A) Origine de l eau et mélanges B) Effet d une crue C) Optimisation des stratégies de suivi D) Détermination des temps de résidence - température - radon État des lieux de la situation au Québec E) Localisation et vulnérabilité des sites de FSB au Québec 35

49 D) TRACEUR DE TEMPS: TEMPÉRATURE Masse-Dufresne et al

50 D) TRACEUR DE TEMPS: RADON Demi-vie: 222 Rn = 3.8 jours Veuille et al Veuille et al

51 EXEMPLES DE TRAVAUX Développement de méthodes simples de caractérisation: A) Origine de l eau et mélanges B) Effet d une crue C) Optimisation des stratégies de suivi D) Détermination des temps de résidence État des lieux de la situation au Québec E) Localisation et vulnérabilité des sites de FSB au Québec 38

52 E) VULNÉRABILITÉ DES SITES DE FSB AU QUÉBEC Projet financé par le MELCC Objectifs: - Revue de la littérature sur l encadrement et la définition des prélèvements de FSB dans d autres juridictions - Évaluation de la vulnérabilité des sites de FSB au Québec face aux changements climatiques en terme de quantité et de qualité de l eau. Projet de : - Échantillonnage mensuel isotopique et géochimique dans une centaine de puits d eau potable, lacs et rivières - Établissement d une quantification et d une typologie des sites de FSB au Québec Patenaude et al. (2020) Water 39

53 MOT DE LA FIN En conclusion, vous pouvez retenir que: 1) Lafiltrationsur berge (FSB) est utilisée avec succèsdepuis plus de 200 ans en Europe comme solutionéconomiquedeprétraitementdel eaupotable. 2) Plusde lamoitié deschamps captants eneau souterraine au Québecsont susceptiblesd être dessitesdefsb. 3) Lorsque des enjeux particuliers de qualité sont identifiés, le classement ESSIDES assure un suivietuntraitementadéquat. 4) Une meilleure compréhension du processus de filtration sur berge est nécessaire à l'améliorationdelaprotectionàlasourcedecetypedeprélèvementd'eauhybride. 40

54 MOT DE LA FIN Le programme de en cours vise à: 1) Développer des outils et méthodologies simples à utiliser pour mieux caractériser la vulnérabilitédessitesdefsb 2) ÉvaluerlasituationdelaFSBauQuébec 3) Proposerdesmodèlesdegestionàl aidedeséquencesdepompageoptimisées 4) Apporter les connaissances pour réduire l impact du changement climatique sur les sites de FSB 41

55 MOT DE LA FIN Le programme de en cours vise à: 1) Développer des outils et méthodologies simples à utiliser pour mieux caractériser la vulnérabilitédessitesdefsb 2) ÉvaluerlasituationdelaFSBauQuébec 3) Proposerdesmodèlesdegestionàl aidedeséquencesdepompageoptimisées 4) Apporter les connaissances pour réduire l impact du changement climatique sur les sites de FSB 41