Source de vie, mais également de développement socioéconomique, l’eau pourrait venir à manquer rapidement dans plusieurs régions du globe, alimentant ainsi les convoitises. La difficulté éprouvée à transporter et emmagasiner l’eau – sans parler du débat idéologique soulevé par le concept même de marchandisation de l’eau – laisse une place limitée au commerce comme mode de régulation des pénuries appréhendées. Quant à l’instrument juridique international, il est pour l’heure ardu d’application. S’ensuit la nécessité d’une action politique, action pouvant déboucher sur de graves crises ou conflits interétatiques. Afin d’évaluer le potentiel conflictuel de l’eau, nous examinerons dans ce mémoire le lien postulé entre la vulnérabilité de l’approvisionnement en eau d’un État et la conflictualité de ses relations impliquant ses homologues avec lesquels il partage cette ressource sans substitut. Une approche quantitative sera développée, laquelle servira de base à une réflexion sur les apports et limites de ce type d’approche en hydropolitique. / At the very basis of life, but also of socioeconomic development, water could rapidly become very scarce in some regions of the world, and thus feed contestation. The difficulty of transporting and stocking water – not to mention the ideological debate raised by the very idea of water commodification – leaves limited room for trade as a regulation measure for the foreseen shortages. Concerning international law, up until now it is hardly applicable. Consequently, political action will be needed and this could lead to severe crises or interstate conflicts. In order to evaluate water’s conflict potential, we will investigate in this dissertation the supposed link between the vulnerability of a state’s water supply and the degree of conflict characterising its water relations. A quantitative approach will be used for the above and will serve as a basis for an analysis regarding the contributions and the limitations of that approach to hydropolitics.

La Politique nationale de l'eau du Québec a presque 20 ans. Afin de planifier une gestion intégrée des eaux par bassins versants (GIEBV), les organismes de bassins versants (OBV) doivent se concerter avec les acteurs de l'eau présents sur les bassins versants qui leur sont alloués. Cette concertation n'est pas obligatoire pour les différents acteurs qui ont des intérêts divers quant à la ressource en eau. Ils peuvent être, selon leur poste respectif, plus enclins ou non à participer à cette planification concertée de la GIEBV que mettent en place les OBV par l'entremise du Plan directeur de l'eau (PDE). Cette recherche s'intéresse à la participation du secteur privé au processus de concertation. Plus précisément, il s'agit d'une étude de cas concernant la participation du secteur minier de la Côte-Nord. Les entreprises privées ont un poids généralement fort considérable dans leur communauté d'accueil et leur implication dans la gouvernance de l'eau peut se révéler importante pour les populations. Une recherche documentaire a été faite pour mieux saisir les concepts abordés (gouvernance, responsabilité sociale des entreprises, décentralisation) et les enjeux centraux (pollution d'origine minière, problèmes des OBV dans l'exécution de leurs mandats). L'objectif est de répondre à la question suivante : Comment les différents acteurs perçoivent-ils le processus de concertation de la GIEBV et la place de la participation des entreprises minières de la Côte-Nord dans celui-ci ? L'hypothèse est que la concertation volontaire est difficile à mettre en place et qu'il n'est pas dans l'intérêt des compagnies minières d'y participer. À l'issu de cette étude, l'hypothèse n'est pas totalement confirmée. On observe effectivement des difficultés dans la mise en œuvre de la concertation, surtout dans les relations avec les compagnies minières. En revanche, on ne peut pas conclure qu'il n'est pas dans l'intérêt de ces entreprises d'y participer. / Quebec's Water Policy has almost 20 years. To plan an integrated water management, the Watershed Organizations need to implement consultation and cooperation between all water stakeholders. The consultation meeting is not an obligation for them, it is voluntary. They all have a different relation with the water resources. Depending of their role in their respective organization, they have various interests, which may influence their participation to the integrated water management planed by the Watershed Organizations with the Water Master Plan. This study focuses on the mining industry of the Côte-Nord region and its participation to the consultation. The private sector often has a significant influence in their host communities, so they can have great impacts on the population.The main goal of this research is to know how stakeholders perceive consultation meetings for the integrated water management by watershed, and what is the place of the mining industry's participation. The hypothesis is that a voluntary consultation is hard to organize and that it is not in the mining industry's interests to participate. Some interviews have been realized during summer and fall of 2019 to help answer these questions. This case study shows a summary portrait of Quebec's water governance in a context of decentralization and allows a reflection on our natural resource management methods. The hypothesis is not well confirmed. There are effectively some difficulties to plan a voluntary consultation, however we cannot confirm it is not in the interest of the mining companies to be part of it.

La gestion des services d'eau urbains pose de nombreux défis afin d'assurer une eau de qualité pour tous et un renouvellement des infrastructures à long terme. La meilleure manière de répondre à ces défis varie d'un endroit à l'autre, et différents modèles de gouvernance et structures organisationnelles sont proposées dans la littérature académique ou mis en oeuvre dans les pratiques. Dans ce contexte, la place du secteur privé dans la gestion des services d'eau a été au coeur de nombreux débats politiques et académiques, particulièrement au cours des années 1990. Ce travaille explore les relations entre acteurs publics et privés dans la gestion des services d'eau, plus particulièrement pour le cas de la Ville de Montréal. Confrontée à une situation de dégradation des infrastructures, la ville de Montréal met en place un groupe de travail au début des années 1990 afin de trouver un modèle organisationnel qui permette d'en améliorer la gestion et le financement. Les années 1990 et le début des années 2000 sont marqués par un large débat sur la participation du secteur privé aux services d'eau, qui s'éloigne toutefois de la question du financement des services, de la gestion du patrimoine ou de l'accès à l'expertise. La ville attendra le milieu des années 2000 pour élaborer un plan de mise à niveau des infrastructures et de leur financement, auquel participent de près les firmes de génie-conseil. La création du fonds de l'eau et la mise en route des trois grands "chantiers techniques de l'eau" marquent ainsi le début d'une reprise en main des services, après de nombreuses années de laisser-aller. La structure organisationnelle devra elle aussi être ajustée afin d'assurer une gestion et une planification efficaces à long terme. Nous présentons également le cas de la ville de Marseille, où un modèle de gestion et une structure de gouvernance très différents nous permettent de prendre un certain recul par rapport au cas de Montréal. Le cas de Marseille se caractérise par la participation d'un acteur privé à la gestion des services d'eau, la Société des Eaux de Marseille (SEM), depuis la fin des années 1930. Un système de gestion des contrats et de reddition de comptes. L'échéance du contrat de Marseille en 2013 suscite déjà un mouvement à l'interne, la SEM cherchant à accroître son efficacité et à réduire ses coûts afin de faire face à la concurrence, mais également afin de justifier son indépendance par rapport à ses maisons mères, Suez et Veolia. Le fait d'appartenir à part égale aux deux majors dans le domaine de l'eau était garant d'autonomie pour l'entreprise, ce qu'elle craint de perdre lorsque l'une des sociétés revendra ses parts à l'autre afin de se conformer aux normes européennes en matière de concurrence.

L'irrigation occupe une place très importante dans la société et l'économie chinoises. Toutefois, dans plusieurs régions de la Chine, notamment dans la Plaine du Nord, la pratique même de l'agriculture irriguée est remise en question. En effet, depuis le début des années 1970, la Chine fait face à une grave pénurie d'eau qui menace son développement et son environnement. À mesure que la pénurie s'intensifie, le secteur agricole résiste de plus en plus difficilement aux pressions des secteurs industriel et domestique qui exigent des parts croissantes des ressources en eau du pays. Paradoxalement, l'utilisation faite de l'eau dans le secteur agricole reste pour le moins extensive. Par conséquent, la rationalisation des modes de consommation d'eau des usagers agricoles constitue un élément indispensable dans la résolution du problème de pénurie d'eau. Conscient de la gravité du problème, le gouvernement chinois élaborait au début des années 1990 une série de programmes visant à réformer le processus de gestion de l'eau en milieu rural. Aujourd'hui, cette réforme s'appuie principalement sur la consolidation du système de tarification de l'eau dans le secteur agricole, ainsi que sur l'institutionnalisation d'un système de gestion local des eaux d'irrigation. Par cette réforme, l'État entend, d'une part, assurer le financement des agences d'irrigation, et d'autre part, inciter les usagers à adopter des pratiques plus responsables en favorisant le transfert de droits de gestion aux collectivités locales. L'objectif de cette thèse consiste à comprendre la nature des arrangements institutionnels adoptés dans le cadre de la réforme des systèmes d'irrigation en Chine. Pour ce faire, cette recherche repose sur l'utilisation du cadre d'analyse institutionnelle développé par E. Ostrom du Centre de politiques environnementales de l'Université d'Indiana. L'application de ce cadre sous-entend la présentation des attributs contextuels, la décomposition de l'espace décisionnel, l'étude des changements institutionnels, l'analyse des schémas d'interaction et l'évaluation des performances institutionnelles. Quant aux données utilisées pour cette recherche, elles proviennent de plusieurs sources et ont été rassemblées au moyen de différentes techniques, dont une revue de littérature, une analyse de contenu, d'observations sur le terrain et d'entrevues de recherche.

Dans un contexte de prise de conscience de la communauté internationale des enjeux de l’accessibilité à l’eau potable dans les pays en voie de développement, la Banque mondiale recommande aux États de privatiser leur gestion de l’eau. En 1999, le gouvernement néolibéral d’Hugo Banzer favorise la privatisation des services de distribution de l’eau de Cochabamba, qu’il justifie par le manque de capitaux nécessaires à la réalisation d’un projet de barrage (Misicuni). Les populations rurale, périurbaine et urbaine, qui avaient jusque-là une relation conflictuelle dans la gestion de l’eau à l’échelle régionale, s’unissent pour revendiquer l’annulation du contrat de concession du consortium international et la modification de la loi encadrant les droits de propriété et de gestion de l’eau. Les manifestations accompagnant ces revendications ont d’abord été réprimées par l’armée avant que le gouvernement accepte de re-nationaliser la gestion de l’eau et d’amender la loi. Quelles ont été les interactions économiques et politiques entre les différentes échelles géographiques représentées par les acteurs de ce conflit socio-territorial ? Quelles ont été les représentations géopolitiques de ces acteurs lors de la guerre de l’eau ? Quelle a été l’évolution des rapports de pouvoir territoriaux lors de ce conflit ? À travers une revue de sept journaux boliviens (1997-2004), nous avons analysé le discours des acteurs afin de comprendre les redéfinitions successives de la territorialité avant, pendant et après ce conflit sur la gestion de l’eau. Ce faisant, cette recherche démontre que les représentations entourant le projet Misicuni ont joué un rôle important dans la genèse du conflit. De plus, les us et coutumes paysannes et la nouvelle tarification de l’eau urbaine ont été les « rapports au territoire » à la base de la guerre de l’eau. Finalement, la plus grande importance des relations « locale-internationale » et « nationale-internationale » font en sorte que l’évolution de la construction locale du territoire est de plus en plus dépendante des acteurs internationaux. / En un contexto de una nueva conciensia de la comunidad internacionale de los enfoques de la accesibilidad del agua potable en los países subdesarrollados, el Banco Mundial recomanda a los Estados de privatizar su gestión del agua. En 1999, el gobierno neoliberal de Hugo Banzer ha favorisado la privatización de los servicios de distribución del agua de Cochabamba. Banzer ha justificado esta decisión con la falta de plata que necesitaba la realización del Proyecto Múltiple Misicuni. Las poblaciones campesina, periurbana y urbana, quien tenía una relación conflictual con la gestión del agua, se han unificado para revendicar la anulación del contrato de concesión del consortio international Aguas del Tunari y para modificar la ley de agua (2029). Las manifestaciones acompañiendo estas revencidaciones han sido reprimadas por la armada antes que el gobierno acepta de re-nacionalizar la gestión del agua y de cambiar la ley. ¿Cuales estaba las interacciones económica y política entre las diferentes escalas geograficas representadas por los actores de este conflicto socio-territorial? ¿Cuales han sido las representaciones geopolíticas de los actores durante la guerra del agua? ¿Cual ha sido la evolución de la relación de poder territorial durante este conflicto? A través de siete poriódicos bolivianos (1997-2004), analisamos el discurso de los actores para entender las redifiniciones de la territorialidad antes, durante y después de la guerra del agua. Entonces, esta investigación demuestra que las representaciones del proyecto Misicuni han jugado una función muy importante en el desarrollo del conflicto. Además, los usos y costumbres campesinos y la nueva tarificación del agua urbana han sido la “relación al territorio” en la base de la guerra del agua. Finalmente, la importancia de las relaciones “locale-internacionale” y “nacionale-internacionale” hacen que el dessarrollo de la construcción locale del territorio es de más en más dependiente de los actores internacionales.

La demande en eau potable a été le sujet de plusieurs études, mais aucune ne s'est encore penchée sur la durabilité de la gestion de l'eau potable pour usage domestique. Cette étude cherche à établir le lien entre la gestion durable et les différentes structures tarifaires de l'eau potable. Un indice de gestion durable concernant l'eau potable à usage résidentiel est construit en suivant les critères de la Division du développement durable des Nations Unies (2001). L'indice créé est régressé sur les variables représentant les différentes structures tarifaires. Les données proviennent de l'enquête d'Environnement Canada «Municipal Water Pricing; 1991-1999». La relation entre la gestion durable d'une part, les modes de tarification, le prix facturé au citoyen, la taille de la municipalité et la province d'appartenance, d'autre part, est étudiée en détail. Les résultats suggèrent que la tarification à blocs progressifs favorise une gestion moins durable, alors que les autres modes de tarification, le prix, la taille et la province n'ont pas d'influence. / Domestic water demand has been the subject of many studies, but none has examined the sustainability of domestic water management. This study attempts to show the link between sustainable management and the different pricing structures in use in Canada, in 1999. A sustainable management index in regard to domestic water management is derived from guidelines issued by the United Nations Division for Sustainable Development (2001). Data was gathered by Environment Canada, for the 'Municipal Water Pricing, 1991-1999" study. The relation between management sustainability, on one hand; pricing structures, price, municipality's size and provincial government's jurisdiction, on the other hand, is analyzed in details. Results suggest that the increasing blocks pricing structure foster unsustainable management and that the other pricing structures, the price, the municipality's size and the provinces' jurisdiction do not affect management sustainability.

Dans un contexte où les changements climatiques se manifestent sous forme de phénomènes climatiques extrêmes tels que des sècheresses prolongées et des précipitations abondantes soudaines, la question de la texture des sols urbains et de la protection des sources d’eau fait l’objet de nouvelles préoccupations en matière de planification urbaine. Alors que la régulation et la filtration de l’eau de ruissèlement sont restreintes par l’imperméabilité des surfaces urbaines, plusieurs métropoles, dont São Paulo, peuvent se retrouver en situation de crises dues à l’indisponibilité de l’eau potable, aux inondations subites ou à la création d’îlots de chaleur. L’efficacité de la gouvernance environnementale appliquée à la gestion des eaux en milieu métropolitain devient donc primordiale. Par une étude de cas de la métropole de São Paulo, la présente recherche tente d’élucider les facteurs rendant possible l’atteinte d’un modèle de gouvernance environnementale métropolitain qui permettrait de maintenir les fonctions écosystémiques des bassins versants et de construire la résilience à la variabilité climatique. La stratégie d’enquête, basée sur l’analyse de documents scientifiques et gouvernementaux, l’observation participante et la tenue d’entretiens semi-dirigés, permit de soulever plusieurs obstacles à l'application des politiques publiques de protection des espaces verts et des sources d’eau. La carence de maîtrise de l’usage des sols, la priorisation des intérêts économiques, la sectorisation des instances gouvernementales et la faible intégration de la société civile au processus de prise de décision surgissent comme d’importants freins à la construction d’une gouvernance environnementale à São Paulo. La considération des savoirs scientifiques et locaux et la gestion du risque lié à la variabilité climatique sont marginalisées par la sphère politique. Ainsi, la présence d’une vaste législation environnementale, telle qu’en vigueur dans la métropole de São Paulo, ne signifie pas forcément une application des projets et des règlements sans faille. / In a context where climate changes are manifested by extreme climatic events such as prolonged droughts and sudden abundant rainfall, the issue of urban soil texture and water protection is a new concern in urban planning. While the regulation and filtration of runoff water is restricted by the impermeability of urban surfaces, several cities, including São Paulo, may end up in crisis due to the unavailability of drinking water, floods or creation of heat islands. The effectiveness of environmental governance applied to water management in metropolitan areas therefore becomes paramount importance. Through a case study of the metropolis of São Paulo, this research attempts to elucidate the factors that make it possible to achieve a metropolitan environmental governance that would maintain watersheds ecosystem functions and build resilience to climate variability. The research strategy, based on the analysis of scientific and governmental documents, participant observation and semistructured interviews, shows several obstacles to the application of public policies for the protection of green spaces and water sources. The lack of control over land use, the prioritization of economic interests, the governmental sectoralization and the weak integration of civil society into the decision-making process appear as major obstacles to the construction of environmental governance in São Paulo. Scientific and local knowledges and climate risk management are marginalized by the political sphere. Thus, the presence of a vast environmental legislation, as in place in the metropolis of São Paulo, does not necessarily mean an unfailing application of projects and regulations.

Cette étude vise à analyser les bénéfices associés à l’amélioration de la qualité de l’eau en appliquant la méthode de « comportements défensifs » aux agriculteurs québécois. Des variables de perception sur la dégradation de la qualité de l’eau et de l’environnement et de caractéristiques individuelles et de ferme ont été incluses dans des modèles économétriques probit et poisson afin d’analyser leur impact sur la probabilité d’adoption de trois PGBs, de deux mesures défensives et sur la fonction de santé ainsi que pour identifier l’existence de lien entre PGBs et mesures défensives. Les résultats démontrent la significativité de certaines de ces variables dans les modèles de PGBs et de mesures défensives et l’existence de corrélation entre les trois PGBs. Toutefois, les mesures défensives n’ont pas d’effet sur l’adoption des PGBs de l’étude. Finalement l’adoption de PGBs réduit le nombre de jours de symptômes de maladie. / This study aims to analyze the benefits associated with improved water quality by applying the method of "defensive behavior" to Quebec farmers. Perception variables about the degradation of water quality and the environment and characteristics about individuals and farms were included in probit and poisson models to analyze their impact on the probability of adoption of three BMPs, two defensive measures and a health function and to explore the causality between defensive measures and the adoption of BMPs. Many of the aforementioned variables have significant impacts on the adoption of BMPs and defensive measures. We also found that the adoption processes of the three BMPs were correlated. However, we found no link between the adoption of defensive measures and the adoption of BMPs. Finally, the adoption of BMPs reduces the number of days with illness symptoms.

"Thèse en cotutelle, doctorat en génie des eaux: Université Laval Québec, Canada Philosophiae doctor (Ph.D.) et Institut national polytechnique de Toulouse, Toulouse, France, Docteur." / La gestion intégrée de la ressource en eau implique de distinguer les parcours de l’eau qui sont accessibles aux sociétés de ceux qui ne le sont pas. Les cheminements de l’eau sont nombreux et fortement variables d’un lieu à l’autre. Il est possible de simplifier cette question en s’attardant plutôt aux deux destinations de l’eau. L’eau bleue forme les réserves et les flux dans l’hydrosystème : cours d’eau, nappes et écoulements souterrains. L’eau verte est le flux invisible de vapeur d’eau qui rejoint l’atmosphère. Elle inclut l’eau consommée par les plantes et l’eau dans les sols. Or, un grand nombre d’études ne portent que sur un seul type d’eau bleue, en ne s’intéressant généralement qu’au devenir des débits ou, plus rarement, à la recharge des nappes. Le portrait global est alors manquant. Dans un même temps, les changements climatiques viennent impacter ce cheminement de l’eau en faisant varier de manière distincte les différents composants de cycle hydrologique. L’étude réalisée ici utilise l’outil de modélisation SWAT afin de réaliser le suivi de toutes les composantes du cycle hydrologique et de quantifier l’impact des changements climatiques sur l’hydrosystème du bassin versant de la Garonne. Une première partie du travail a permis d’affiner la mise en place du modèle pour répondre au mieux à la problématique posée. Un soin particulier a été apporté à l’utilisation de données météorologiques sur grille (SAFRAN) ainsi qu’à la prise en compte de la neige sur les reliefs. Le calage des paramètres du modèle a été testé dans un contexte differential split sampling, en calant puis validant sur des années contrastées en terme climatique afin d’appréhender la robustesse de la simulation dans un contexte de changements climatiques. Cette étape a permis une amélioration substantielle des performances sur la période de calage (2000-2010) ainsi que la mise en évidence de la stabilité du modèle face aux changements climatiques. Par suite, des simulations sur une période d’un siècle (1960-2050) ont été produites puis analysées en deux phases : i) La période passée (1960-2000), basée sur les observations climatiques, a servi de période de validation à long terme du modèle sur la simulation des débits, avec de très bonnes performances. L’analyse des différents composants hydrologiques met en évidence un impact fort sur les flux et stocks d’eau verte, avec une diminution de la teneur en eau des sols et une augmentation importante de l’évapotranspiration. Les composantes de l’eau bleue sont principalement perturbées au niveau du stock de neige et des débits qui présentent tous les deux une baisse substantielle. ii) Des projections hydrologiques ont été réalisées (2010-2050) en sélectionnant une gamme de scénarios et de modèles climatiques issus d’une mise à l’échelle dynamique. L’analyse de simulation vient en bonne part confirmer les conclusions tirées de la période passée : un impact important sur l’eau verte, avec toujours une baisse de la teneur en eau des sols et une augmentation de l’évapotranspiration potentielle. Les simulations montrent que la teneur en eau des sols pendant la période estivale est telle qu’elle en vient à réduire les flux d’évapotranspiration réelle, mettant en évidence le possible déficit futur des stocks d’eau verte. En outre, si l’analyse des composantes de l’eau bleue montre toujours une diminution significative du stock de neige, les débits semblent cette fois en hausse pendant l’automne et l’hiver. Ces résultats sont un signe de l’«accélération» des composantes d’eau bleue de surface, probablement en relation avec l’augmentation des évènements extrêmes de précipitation. Ce travail a permis de réaliser une analyse des variations de la plupart des composantes du cycle hydrologique à l’échelle d’un bassin versant, confirmant l’importance de prendre en compte toutes ces composantes pour évaluer l’impact des changements climatiques et plus largement des changements environnementaux sur la ressource en eau. / Integrated water resource management requires distinction between water paths that are directly available for society and those which are not. Water pathways, from precipitation to the oceans or the atmosphere, are highly variable from one place to another. The complexity of water pathways can be simplified by focusing on two main categories of water resources: blue water, which is the stock and flow moving into the hydrosystem that is directly available (e.g. rivers, lakes, aquifers and groundwater flow), and green water, which is the invisible flow of water vapor leaving the hydrosphere to the atmosphere. The latter includes the water used by forests, grasslands, rain fed crops, and the water in soils. However, many hydrological studies focus only on blue water, particularly the discharge or more rarely the ground water recharge, ignoring all green water components, therefore missing the overall picture. At the same time, climate change highlighted in recent years have been found to impact water pathway distributions by affecting different components of the hydrological cycle at the watershed scale. The study presented here exploits the SWAT hydrological model to assess the variation of different components of a hydrosystem facing climate change. The study area is the watershed of the Garonne River, where data is available. The first part of this work focused on refining the implementation of the model in order to better tackle the problem at hand. Particular attention has been paid to the use of gridded weather data (SAFRAN product) as well as to the simulation of snow present in the mountainous portion of the watershed. Calibration of the model parameters was tested through a differential split sampling method, based on calibration and validation using climatically contrasted periods, in order to test the robustness of the model. These steps led to a substantial improvement in the simulations performance over the calibration period (2000-2010) and demonstrated the robustness of the model within a climate change context. The improved SWAT model was next used to produce simulations over a hundred-year period (1960-2050), an analysis carried out in two steps: First, the past period (1960-2000) simulation, based on observed climatic data, was used to validate discharge simulations for which very good performance was obtained. Analysis of the different components of the hydrological cycle showed a strong impact on flows and stocks of green water, with a reduction of the water content in soil and a substantial increase in evapotranspiration. Blue water is mostly impacted in terms of snow stock and discharge flow, which both showed a substantial decrease. Secondly, hydrological projections were performed (2010-2050) based on a selection of climate scenarios and models, submitted to dynamic downscaling. Analysis of these projections partly confirmed the conclusions drawn from the historic period: i.e. a substantial impact on green water, with a decrease of the soil water content and an increase of potential evapotranspiration. The projections also revealed that the soil water content during the summer season is such that it reduces the actual evapotranspiration, highlighting possible future deficits of green water stocks. Furthermore, if the analysis of blue water components always presented a substantial decrease in the snowpack, discharge appears to increase during autumn and winter periods. These results indicate an "acceleration" of blue surface water components which is likely related to an increase in extreme rainfall events. In this study, an analysis of the variation of the main hydrological cycle components have been proposed at a watershed scales, confirming the importance of taking into account all these components to evaluate the climate change impact and more broadly environmental changes on water resources.

Les systèmes de distribution d'eau (SDE) efficaces sont cruciaux pour les sociétés modernes. Leur fonctionnement nécessite d'importantes quantités d'énergie, avec un impact financier significatif pour les fournisseurs d'eau, généralement les gouvernements. De plus, la conception et la maintenance de ces installations atteignent souvent des millions de dollars. Les méthodes actuelles pour résoudre ces problèmes sont souvent excessivement simplifiées ou ne peuvent résoudre que des réseaux schématiques de petite taille. Cette thèse comprend quatre projets de recherche abordant différentes étapes d'optimisation dans les SDE. Tout d'abord, nous étudions le problème de la planification des pompes pour les SDE, comprenant des pompes fournissant le débit et la pression nécessaires au réseau d'eau pour satisfaire les demandes des consommateurs. En plus de planifier le fonctionnement des pompes sur un horizon temporel donné, plusieurs contraintes liées aux propriétés hydrauliques sont prises en compte, certaines pour la première fois dans la littérature. L'objectif est de fournir un plan de pompage de coût minimum qui satisfait toutes les demandes et respecte de nombreuses contraintes opérationnelles et hydrauliques. Nous proposons une formulation non linéaire et non convexe ainsi qu'une heuristique performante, qui vissent la minimisation des coûts énergétiques. Le comportement hydraulique physique est assuré via un logiciel de simulation hydraulique. Notre méthode a significativement amélioré, jusqu'à 17%, les meilleures solutions pour plusieurs instances de référence, en obtenant des solutions plus rapidement que les méthodes de la littérature. Nos solutions réduisent également la consommation d'énergie pendant les périodes de pointe, lorsque le réseau électrique est le plus sollicité. La deuxième étude touche l'optimisation de la qualité de l'eau dans les systèmes de distribution d'eau. Ici, nous abordons le problème de la planification des pompes contraint par la qualité de l'eau, où en plus de planifier le fonctionnement des pompes et la maintenance du comportement hydraulique, nous devons garantir une qualité d'eau adéquate en gérant l'injection de chlore dans le système sur un horizon temporel d'une journée, avec une injection variable de chlore dans les sources d'eau, les réservoirs et les nœuds d'injection. Cette étude introduit un nouvel ensemble de contraintes pour assurer la continuité de la qualité de l'eau, ce qui permet au plan de fonctionner sur un horizon temporel étendu. Ce travail propose un algorithme génétique de tri non dominé (NSGA-II) pour aborder une adaptation d'un réseau de grande taille issu de la littérature sur le problème de planification des pompes, avec des restrictions ajoutées pour la qualité de l'eau. Cette méthode a significativement amélioré les meilleures solutions de planification des pompes pour le réseau de Florianópolis, au Brésil, jusqu'à 3,74%, tout en assurant une gestion efficace de la qualité de l'eau. La troisième étude porte sur la conception et la maintenance des SDE. En particulier, le problème de conception du réseau de distribution d'eau, qui détermine le meilleur ensemble de conduites pour fournir de l'eau depuis les sources jusqu'aux consommateurs. La formulation générale du problème de conception optimale est très difficile à résoudre : elle nécessite de garder une pression minimale d'eau et de satisfaire les demandes de tous les nœuds tout en respectant des contraintes hydrauliques non linéaires. Cela nécessite des heuristiques complexes ou des simplifications qui réduisent la viabilité des solutions. Nous proposons une heuristique de recherche de voisinage parallèle, axée sur la minimisation des coûts de construction en exploitant deux opérateurs performants et plusieurs critères de réduction de l'espace des solutions. Notre méthode est testée sur plusieurs réseaux de référence, pour lesquelles nous avons obtenu les meilleures solutions de la littérature, tout en réduisant le nombre de simulations hydrauliques requises, offrant un meilleur compromis entre coût et performance. Enfin, notre quatrième recherche aborde la fiabilité lors de la conception de réseaux de distribution d'eau. Cette étude compare deux fonctions de résilience bien connues, qui servent de mesure substitutive de la fiabilité du réseau. Ce problème vise à déterminer le meilleur ensemble de conduites pour fournir la demande en eau avec une pression adéquate tout en minimisant les coûts de construction et en maximisant la fiabilité du réseau. Ensuite, un algorithme génétique multi-objectif est utilisé pour obtenir les fronts de Pareto coût-fiabilité pour chaque fonction. Les résultats des trois réseaux de référence sont ensuite soumis à une analyse comparative à l'aide de quatre tests distincts de fiabilité du réseau, couvrant des scénarios liés à la rupture de conduites, à l'augmentation de la demande, au débit en cas d'incendie et au vieillissement des conduites. En particulier, le test de fiabilité en cas de vieillissement des conduites intègre une fonction de régression conçue pour estimer la dégradation annuelle du coefficient de rugosité de la formule Hazen-Williams pour calculer les pertes de charge. De plus, cette recherche propose également une étude approfondie sur la prise de décision robuste visant à utiliser efficacement les résultats des tests de fiabilité afin de sélectionner une conception fiable pour un réseau de distribution d'eau. Les algorithmes développés dans cette thèse et les solutions que nous obtenons pour ces problèmes difficiles et pertinents sont non seulement importants du point de vue pratique, mais contribuent également à la littérature dans les domaines de l'optimisation et de la distribution d'eau. Les résultats obtenus avec cette thèse ont le potentiel de générer des économies de milliers de dollars pour les municipalités à court terme et de contribuer au développement durable à long terme. / Efficient Water Distribution Systems (WDS) are crucial for modern society. Their operation requires large amounts of energy with significant financial impact for the utility providers, typically governments. Moreover, the design and maintenance of these facilities often reach the scale of millions of dollars. Existing solution methods for these problems are often oversimplified or can only solve very small schematic networks. This thesis comprises four research projects addressing different optimization stages arising in WDS problems. First, we study the pumping scheduling problem for WDS, consisting of pumps providing the flow and pressure for the water network to satisfy consumers' demands. Besides scheduling the operation of pumps over a planning horizon, several constraints regarding hydraulic properties are considered, some for the first time in the literature. The goal is to provide a pumping plan of minimum cost that satisfies all demands and respects many operational and hydraulic constraints. We propose a nonlinear and non-convex formulation and a high-performance heuristic, focusing on minimizing the energy cost. Our method significantly improved the best solutions for several benchmark instances by up to 17%, obtaining solutions faster than the methods from the literature. Our solutions also reduce the energy consumed during peak periods, when the electrical grid is most strained. The second study delves into the water quality optimization of water distribution systems. Here, we address the quality-constrained pump scheduling problem, where besides scheduling the operation of pumps and the maintenance of the hydraulic behavior, we must ensure adequate water quality by managing the injection of chlorine through the system over a one-day planning horizon with variable chlorine injection at reservoirs, tanks, and booster nodes. This study introduces a new set of tank-quality continuity constraints that allow schedules to work over a long rolling horizon. This work proposes a Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II to address a quality-constrained adaptation of a real big-size benchmark network from the pumping scheduling problem literature. This method significantly improved the best pumping scheduling solutions for the Florianópolis network by up to 3.74% while ensuring efficient water quality management. The third study addresses the design and maintenance of WDS. In particular, the water distribution network design problem determines the best set of pipes to supply water from the reservoirs to the consumers. The general formulation of the optimal cost design problem is very difficult to solve: it requires maintaining minimum water pressure and fulfilling the demand of all nodes while satisfying nonlinear hydraulic constraints. This leads to complex heuristics or simplifications that reduce the viability of the solutions. We propose a simple parallel neighborhood search heuristic, which focuses on minimizing the construction cost by exploiting two high-performance operators and multiple solution-space reduction criteria. Our method is tested on several benchmark instances, matching the best solutions from the literature while improving the number of hydraulic simulations required, providing a high-performance trade-off between cost and performance. Finally, our fourth research addresses the reliable water distribution network design problem. This study compares two well-known resilience functions, which work as a surrogate measure of network reliability. This problem seeks to determine the best set of pipes to supply the water demand with adequate pressure that minimizes the construction cost and maximizes the network reliability. Subsequently, a multi-objective genetic algorithm is employed to derive the cost-resilience Pareto-fronts for each function. The results from three benchmark networks are then subjected to a comparative analysis using four distinct network reliability tests, encompassing scenarios related to pipe failure, demand increase, fire flow, and pipe aging. In particular, the pipe aging reliability test incorporates a regression function designed to estimate the annual degradation of the Hazen-Williams roughness coefficient. Moreover, this research also provides a comprehensive study on robust decision-making to effectively utilize the results from the reliability tests in order to select a dependable design for a water distribution network. The algorithms developed in this thesis and the solutions we obtain for these difficult and relevant problems are not only important from a practical standpoint but also contribute to the literature of both optimization and water distribution fields. The results obtained with this thesis have the potential to save several thousands of dollars for municipalities in the short term and to contribute to sustainable development in the long term.