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Bilan des nutriments et évaluation de scénarios d’assainissement de leurs sourcessur la qualité de l’eau du lac Saint-Charles
ALAIN N. ROUSSEAU PH.D. ING.
Journée scientifique sur la protection des sources d'eauMercredi 9 mai 2018, dès 9 h
Édifice Andrée-P.-Boucher, 1130, route de l'Église, Québec
Partenaires technique et financier
ProblématiqueClasses d’actions à mettre en œuvre afin de contrôler la dégradation de la qualité de l’eau du lac et de la prise d’eau• Gestion des eaux sanitaires • Contrôle des éléments nutritifs et de leur transport
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
Partenaires technique et financier
ProblématiqueClasses d’actions à mettre en œuvre afin de contrôler la dégradation de la qualité de l’eau du lac et de la prise d’eau• Gestion des eaux sanitaires • Contrôle des éléments nutritifs et de leur transport
Hypothèses de recherche• ISA (installations septiques autonomes)
– Principales sources de nutriments (+ 2650 dans le bassin du lac; + 5000 dans le bassin de la prise d’eau Château d’Eau)
• UTEU des municipalités du Lac-Delage et de Stoneham– Principales sources de nutriments
• Contributions respectives des sources de nutriments– Variables dans le temps
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
Enjeux scientifiquesBesoin de départager les sources de nutriments, ainsi que les facteurs environnementaux (ex. : température et stabilité de la colonne d’eau) responsables de l’eutrophisation du lac
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
Enjeux scientifiquesBesoin de départager les sources de nutriments, ainsi que les facteurs environnementaux (ex. : température et stabilité de la colonne d’eau) responsables de l’eutrophisation du lac
Enjeux sociétaux• Contribution à la réflexion sur le besoin ou pas de
raccorder en totalité ou en partie les ISA afin de mettre en contexte les investissements majeurs associés
• Analyse de pistes de solutions basées sur d’autres scénarios envisageables tels que l’amélioration de l’efficacité des UTEU de Lac-Delage et de Stoneham
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
• Bilans des charges (produit du débit et des concentrations aux effluents des rejets ponctuels des UTEU et de ceux diffus - ISA & autres sources) de nutriments au lac St-Charles
∆𝑁 = 𝐴𝐻𝑢𝑟𝑜𝑛𝑠 + 𝐴𝑡𝑟𝑖𝑏 + 𝐴𝑣𝑒𝑟𝑠 ± 𝐴𝑠𝑒𝑑 +𝐴𝑎𝑡𝑚 −𝑆
𝑁 = 𝑁𝑏𝑖𝑜 +𝑁𝑑𝑖𝑠𝑠 +𝑁𝑝𝑎𝑟𝑡
Approche méthodologique
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
• Bilans des charges (produit du débit et des concentrations aux effluents des rejets ponctuels des UTEU et de ceux diffus - ISA & autres sources) de nutriments au lac St-Charles
∆𝑁 = 𝐴𝐻𝑢𝑟𝑜𝑛𝑠 + 𝐴𝑡𝑟𝑖𝑏 + 𝐴𝑣𝑒𝑟𝑠 ± 𝐴𝑠𝑒𝑑 +𝐴𝑎𝑡𝑚 −𝑆
𝑁 = 𝑁𝑏𝑖𝑜 +𝑁𝑑𝑖𝑠𝑠 +𝑁𝑝𝑎𝑟𝑡
𝐴𝑝𝑟𝑖𝑠𝑒 = 𝐴𝐽𝑎𝑢𝑛𝑒 + 𝐴𝑁𝑒𝑙𝑠𝑜𝑛 + 𝑆 + 𝐴𝑡𝑟𝑖𝑏 + 𝐴𝑣𝑒𝑟𝑠
• Charges en nutriments à la prise d’eau Château d’Eau
Approche méthodologique
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
• Modélisation hydrologique distribuée– Apports/débits en eau au lac avec HYDROTEL
• Déjà en place dans le cadre d’un projet en cours sur les milieux humides avec la Ville de Québec (Blanchette, 2018)
Approche méthodologique
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
• Modélisation hydrologique distribuée– Apports/débits en eau au lac avec HYDROTEL
• Déjà en place dans le cadre d’un projet en cours sur les milieux humides avec la Ville de Québec (Blanchette, 2018)
Approche méthodologique
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
Hydrometric station Period NSE1 KGE2
P-Bias3 (%)
RMSE4
(m3/s)
Performance (Moriasi et al.
2007)
St. Charles V5 1969-2016 0.73
0.79 (0.78)
8.07 (6.01)
0.08 Good
C6 2010-2015 0.77 0.77
(0.78) 4.09
(2.29) 0.23
Des Hurons V 2007-2016 0.70 0.81 -9.42 0.06 Good
C 2010-2015 0.67 0.79 -9.10 0.07
Nelson V 2006-2016 0.66 0.76 4.23 0.03 Good
C 2010-2015 0.65 0.72 5.18 0.04
Lorette C 2006-2009 0.74 0.73 -0.71 0.08 Good
Jaune V 1983-1994
0.65 (0.66)
0.76 (0.78)
-3.27
(-7.89) 0.07
Good
C 1990-1994 0.47 0.65 -4.41
(-8.28) 0.11
Du Berger V 1983-1995 0.52
0.62 (0.60)
20.37 (19.91)
0.04 Satisfactory
C 1990-1995 0.24
(0.22) 0.40
(0.38) 41.58
(40.27) 0.06
Rivière des Hurons: courbes saisonnières des débits classés pour la période de validation
Résultats de calage et de validation pour tous les sous-bassins de la rivière St-Charles
• Modélisation hydrologique distribuée– Apports/débits en eau au lac avec HYDROTEL
• Déjà en place dans le cadre d’un projet en cours sur les milieux humides avec la Ville de Québec (Blanchette, 2018)
– Qualité de l’eau du lac en 2D (modèle CE-QUAL-2W) et 3D (modèle EFDC)
– Qualité de l’eau des cours d’eau (modèle QUAL2E de GIBSI)
Approche méthodologique
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
• Stratégie de calage sur la rivière des Hurons– Sur les base de la caractérisation des effluents
de la STEU de Stoneham et des données de qualité de l’eau disponibles sur la rivière en aval de cette dernière et celles disponibles à l’entrée du lac • Utilisation d’une approche par scénarios
pour déterminer la contribution diffuse potentielle entre ces deux sites (i.e., en provenance des ISA)
Approche méthodologique
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
• Stratégie de calage du lac St-Charles– Approche similaire (+ STEU du lac Delage)
pour déterminer les charges diffuses potentielles afin de reproduire les concentrations en P et N à la sortie du lac (ou autres sites et mouillages à l’intérieur du lac)
• Stratégie de calage à Château d’Eau– Sur la base des résultats précédents,
utilisation d’une approche similaire …
Approche méthodologique
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
• Faisabilité de la stratégie de calage/validation– Possible grâce aux données
enregistrées dans la BD de l’APEL – Données de qualité de l’eau de
nouvelles campagnes de suivi (2016-17)– Petits tributaires du lac par Narrancic
et Laurion (INRS)*
Approche méthodologique
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
* Printemps (mai, juin); automne (septembre, octobre) Échantillonnages aux deux semaines (deux échantillons par mois environ).
• Faisabilité de la stratégie de calage/validation– Possible grâce aux données
enregistrées dans la BD de l’APEL – Données de qualité de l’eau de
nouvelles campagnes de suivi (2016-17)– Petits tributaires du lac par Narrancic
et Laurion (INRS)*– Rivière et lac St-Charles incluant des
sites en surface et des mouillages par Fournier & Vincent (ULaval)
Approche méthodologique
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
* Printemps (mai, juin); automne (septembre, octobre) Échantillonnages aux deux semaines (deux échantillons par mois environ).
• Simulations des apports en eau et de la température de l’eau du lac St-Charles en 2007• Températures observées de la colonne d’eau la plus profonde du lac (Bourget, 2011)
Bourget, 2011 – M.Sc. thesis
Résultats préliminaires – Amir Sadeghian PhD
Profils vertical et longitudinal de la température (2D) et distribution de la température de surface (3D)
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
• Bilans de nutriments (P et N) du lac Saint-Charles ainsi qu’à l’UTEP Château d’Eau (une contribution de l’INRS)
• Analyse de différents scénarios d’assainissement des sources de nutriments sur la qualité de l’eau du Lac
Livrables
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
• Identification de la contribution des différents tributaires et versants (secteurs adjacents au lac) à l’apport en nutriments au lac Saint-Charles
• Identification de pistes de solution pour améliorer la qualité d’eau du lac Saint-Charles par la simulation et l’analyse de différents scénarios d’assainissement tels que
– Hausse de la performance des UTEU– Raccordement à l’égout de secteurs sur ISA – Mise aux normes des ISA déficientes – Implantation de systèmes collectifs d'assainissement– …
Retombées
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement
Échéancier
Partenaires technique et financier
Année 1 Année 2
T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T4
Données observées
Qualité de l'eau
Extraction des données de la BD de l'APEL
Usines de traitement
Documentation des caractéristiques des rejets
Intégration à la base de données de GIBSI
Modélisation de la qualité de l'eau
Rivière Des Hurons
Calage et validation
Bilan des nutriments
Lac Saint-Charles
Couplage avec les sorties d'HYDROTEL et GIBSI
Calage et validation
Bilan des nutriments
Château d'Eau
Calage et validation
Bilan des nutriments
Scénarios d'assainissement
Défnition avec les responsables
Simulation des scénarios
Analyse des résultats
Livrables
Rapport d'étape
Rapport finale
Réunion
JJA SON DJF MAM JJA SON DJF MAM
Bilan (N,P) et scénarios d’assainissement