Soutenance mémoire
L’état des infrastructures des réseaux de distribution d’eau potable dans les municipalités canadiennes et québécoises
Avec ses 4 500 rivières et son demi-million de lacs, la province de Québec possède 3 % de l’eau douce renouvelable de la planète (MDDEP, 2002). Ayant un accès privilégié à cette ressource, la majorité des résidents québécois (90 %) sont alimentés par un RDEP tandis qu’une minorité (10 %) possède des puits privés (Environnement Canada, 2011). Toutefois, plusieurs exemples de cas survenus en 2010 témoignent de problèmes liés à la disponibilité de cette ressource, notamment: (1) un réaménagement de la rivière des Mille-Îles qui a dû être effectué en raison d’un niveau d’eau trop bas au cours de l’été, (2) le prélèvement d’eau dans la rivière Yamaska qui a atteint 1,6 fois son débit en période d’étiage, (3) de nombreux problèmes concernant les prises d’eau dans le fleuve Saint Laurent et (4) des niveaux critiques atteints par certaines nappes d’eau souterraine (MAMOT, 2013b). Selon une enquête auprès de 738 municipalités du Canada représentant 21,1 millions de personnes, 86 municipalités ont mentionné avoir connu des problèmes d’approvisionnement en eau entre les années 2007 et 2009 (Environnement Canada, 2011). Dans ce contexte, l’évaluation et l’entretien des équipements de distribution d’eau potable défaillants sont les premières actions à implanter dans le but de réduire les pertes d’eau, outre la sensibilisation des usagers en ce qui a trait à leur consommation.
Au Canada, près de 20 % de l’eau s’écoulant dans les conduites de distribution est associée aux pertes, tandis qu’au Québec, 12 % des conduites des RDEP sont affectées par une fréquence de bris jugée intolérable (Environnement Québec, 1999). Plus de 620 millions de mètres cube d’eau sont distribués annuellement sur l’ensemble du RDEP de la Ville de Montréal; près de 33% de l’eau destinée à la consommation représentent des pertes. (Ville de Montréal, 2013). Ceci est, en partie, la conséquence de l’âge des infrastructures souterraines : le RDEP de Montréal possède plus de 50% de conduites ayant plus de 50 ans comparativement à 22 %, en moyenne, en Amérique du Nord (Flokman, 2012). De plus, le type de matériau des conduites (une importante partie du réseau montréalais est constitué de fonte grise), la corrosivité du terrain, les mouvements de sols et les pratiques de construction inadéquates contribuent activement à la détérioration prématurée des infrastructures souterraines (Hunaidi, 2010b).
Les habitudes de consommation d’eau potable
Le Québec est reconnu comme étant l’un des plus grands consommateurs d’eau potable en Amérique du Nord. La consommation globale québécoise se situe à environ 800 litres/personne/jour comparativement à la consommation globale canadienne, qui est de 600 litres/personne/jour. la consommation résidentielle québécoise surpasse la consommation résidentielle canadienne en plus d’être près de deux fois plus élevée que la consommation résidentielle européenne. Le haut taux de fuites dans les RDEP expliquent en grande partie cet écart significatif.
Présentation et objectifs de la stratégie québécoise d’économie de l’eau potable
La stratégie québécoise d’économie de l’eau potable a été élaborée suite aux observations à l’effet que les volumes d’eau distribués dans les municipalités québécoises sont supérieurs aux moyennes nord-américaines et européennes (MAMOT, 2013b). Ainsi, les municipalités doivent restreindre la construction de nouveaux ouvrages d’approvisionnement en eau et l’augmentation de leurs capacités si aucune augmentation importante de la population n’est observée et plutôt favoriser l’entretien et la réhabilitation des infrastructures existantes. Cette stratégie vise l’atteinte de deux principaux objectifs, entre les années 2011 et 2017:
1. Réduire d’au moins 20 % la quantité moyenne d’eau consommée par personne par jour par rapport à l’année 2001. Cette réduction vise à ramener la consommation à la moyenne canadienne de 2001, soit 622 litres par personne par jour.
2. Réduire le taux de fuites pour les RDEP à un maximum de 20 % du volume d’eau distribué et à un maximum de 15 mètres cubes par jour par kilomètre de conduite.
Ces mesures encouragent la production de bilans sectoriels des pertes d’eau, ce qui vise à permettre la réalisation de programmes ciblés de détection de fuites (Environnement Québec, 2002). Dans un contexte québécois où les coûts de production, de distribution, de collecte et de traitement d’un mètre cube d’eau totalisent plus de 1,50$ (MAMOT, 2013b), il est impératif de diminuer cette consommation afin de préserver la pérennité de la ressource en eau.
Exemples d’application de la sectorisation d’un réseau de distribution d’eau potable et pertinence des présents travaux
La majorité des municipalités du Canada possèdent leurs propres stratégies de gestion des fuites qui consistent à : (1) quantifier le volume d’eau perdu, (2) détecter les fuites du réseau, (3) localiser et réparer les fuites et (4) gérer la pression dans les conduites. Celles-ci utilisent des méthodes acoustiques pour détecter les fuites sur l’ensemble du réseau à une fréquence d’environ deux ans (Hunaidi, 2010b). En pratique, la fréquence optimale d’auscultation des fuites dépend du coût associé à la distribution de l’eau, du taux d’apparition des fuites et du coût de l’auscultation du RDEP. Toutefois, les bénéfices de la sectorisation, introduite au début des années 1980 au Royaume-Uni, encouragent son utilisation. Elle consiste à diviser un réseau en plusieurs secteurs délimités par des vannes fermées et des points d’entrée d’eau munis de débitmètres afin de répertorier efficacement les fuites et les bris de conduites, et de gérer les pressions de chaque secteur. La formation de secteurs permanents pour le contrôle et la détection des fuites est répandue dans plusieurs pays. Les villes de Limassol en Chypre, de Bangor au Pays de Galles, de Johor en Malaisie, de Jakarta en Indonésie (Morisson et al., 2007) et de Philadelphie aux États-Unis (Fanner et al., 2007) sont des exemples d’application de la sectorisation.
La sectorisation peut être à l’origine de nombreux bénéfices comme en témoigne l’application de cette technique en Italie. Le programme de sectorisation a été implanté sur 93% du réseau de la Ville d’Enia, divisé en 260 secteurs. Selon les observations faites suite à la formation des secteurs, la consommation moyenne par personne par jour a chuté de 16% et le nombre de réparations des composantes du réseau a diminué de 20% grâce à l’abaissement de la pression. Par exemple, la pression excessive du secteur de Quattrocastella a été réduite de 12.5% (de 50 mètres à 43,7 mètres de colonne d’eau) et la fréquence des bris a diminué de 40% (Fantozzi et al., 2009).
Plus récemment, la sectorisation permanente a été implantée dans la Ville de Halifax, au Canada. En raison de la topographie très variable du territoire de la ville, il existe 50 paliers de pression déjà déterminés. Ces zones ont été utilisées comme point de départ pour implanter 60 secteurs permanents analysés par plus de 100 débitmètres opérés par le système télésurveillance et d’acquisition de données (SCADA) . Le principal bénéfice observé se traduit par la diminution de l’infrastructure leakage index (ILI) , qui est passé de 9,0 à 3,8 (Yates, 2005).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 INTRODUCTION À LA SECTORISATION D’UN RÉSEAU DE DISTRIBUTION D’EAU POTABLE
1.1 L’état des infrastructures des réseaux de distribution d’eau potable dans les municipalités canadiennes et québécoises
1.2 Les habitudes de consommation d’eau potable
1.3 Présentation et objectifs de la stratégie québécoise d’économie de l’eau potable
1.4 Exemples d’application de la sectorisation d’un réseau de distribution d’eau potable et pertinence des présents travaux
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE
2.1 Types de fuites dans un réseau de distribution d’eau potable
2.2 Méthodes de réduction des pertes réelles
2.3 Considérations générales sur la sectorisation d’un réseau de distribution d’eau potable
2.4 Revue des approches de sectorisation développées et critères pris en compte
2.4.1 Critères de conception traditionnels empiriques
2.4.2 Approches informatisées existantes pour la délimitation des secteurs
2.4.3 Méthodes d’isolement des conduites
2.5 Critères d’évaluation de la performance d’un réseau de distribution d’eau potable
2.5.1 Critères hydrauliques
2.5.2 Critères associés à la vulnérabilité d’un réseau
2.5.3 Critères de performance topologiques
CHAPITRE 3 OBJECTIFS ET APERÇU DES TRAVAUX RÉALISÉS DANS LE PRÉSENT MÉMOIRE
3.1 Problématique
3.2 Objectifs des travaux
3.2.1 Aperçu général des travaux réalisés
3.2.2 Hypothèses et limitations générales des présents travaux
3.2.3 Présentation des réseaux à l’étude
CHAPITRE 4 SECTORISATION INITIALE D’UN RDEP
4.1 Présentation de la méthode développée par DiNardo et DiNatale (2011)
4.1.1 Description de la méthode développée par DiNardo et DiNatale (2011)
4.1.2 Hypothèses sous-jacentes à l’application de la méthode développée par DiNardo et DiNatale (2011)
4.1.3 Application de la méthode au réseau Anytown, USA
4.1.4 Application de la méthode aux deux réseaux d’étude québécois
4.2 Adaptation de la méthode développée par DiNardo et DiNatale (2011)
4.2.1 Poids de la matrice d’adjacence du réseau principal
4.2.2 Répartition des consommations par secteur
4.2.3 Les zones d’influence des sources
4.2.4 Calcul des fréquences
4.2.5 Indices de performance des RDEP
4.2.6 La protection contre les incendies
4.3 Validation de la méthode
4.4 Application de la méthode adaptée aux réseaux d’étude
4.4.1 Réseau de Ville-Mont-Royal
4.4.2 Réseau d’Aylmer
CHAPITRE 5 SECTORISATION FINALE D’UN RDEP
5.1 Description du problème de la sectorisation finale
5.1.1 Présentation du problème d’optimisation pour l’identification des vannes aux frontières des secteurs
5.1.2 Connectivité des nœuds d’un secteur à une source
5.1.3 Déformation des secteurs initiaux – g(x)
5.1.4 Nombre de vannes d’isolement fermées – h(x)
5.1.5 L’absence de vannes d’isolement – j(x)
5.1.6 Détermination des poids des critères de la fonction objectif
5.2 Description de l’algorithme génétique
5.1 Solutions obtenues au terme de l’optimisation
5.2 Détermination des secteurs finaux pour les RDEP à l’étude
CHAPITRE 6 ANALYSE DES RÉSULTATS ET DISCUSSION
CONCLUSION
