Dans le cadre du Règlement sur le prélèvement des eaux et leur protection (RPEP) entré en vigueur en 2014, les municipalités québécoises alimentant en eau potable plus de 500 personnes (Catégorie 1) devaient remettre, avant le 1$^\mathsf{er}$ avril 2021, un rapport sur la vulnérabilité de leur source d'eau potable, qu'elle soit souterraine ou de surface, et par la suite le mettre à jour tous les cinq ans (Règlement sur le prélèvement des eaux et leur protection, RLRQ c Q-2, r 35.2). Les rapports soumis par les municipalités apportent des informations nouvelles et permettent d'approfondir la connaissance sur les sources municipales d'eau potable au Québec. À terme, il est prévu que cette connaissance contribue à la réalisation de plans de protection des sources. La production des analyses a impliqué différents acteurs au Québec : municipalités, organismes de bassin versant, firmes de consultants en génie-conseil ou en environnement et groupes de recherche universitaire. Cette démarche étant une première et destinée à être renouvelée, l'objectif de cette recherche était de documenter les perceptions des acteurs impliqués dans la production des analyses pour en comprendre les enjeux, les difficultés et leurs besoins. L'analyse des rapports d'analyse de vulnérabilité et des discours des acteurs a montré les bénéfices et les limites de la production de tels rapports. Plusieurs recommandations ont été formulées afin de soutenir le renouvellement des rapports et de mieux accompagner les municipalités dans l'élaboration des plans de protection des sources d'eau potable. / The Quebec regulation on water abstraction (*Règlement sur le prélèvement des eaux et leur protection*, RPEP), which came into force in 2014, required Quebec municipalities supplying drinking water to more than 500 people to submit by April 2021 a report on the vulnerability of their drinking water source, whether from groundwater or surface water, and update the report every five years thereafter (Règlement sur le prélèvement des eaux et leur protection, RLRQ c Q-2, r 35.2). The reports submitted by municipalities provide new information and deepen the knowledge about municipal drinking water sources in Quebec. Ultimately, it is intended that this knowledge will contribute to the development of water source protection plans. The source water vulnerability analyses involved various stakeholders in Quebec: municipalities, watershed organizations, consulting engineering and environmental firms, and university research groups. As this process was new and destined to be repeated, the objective of this research was to document the perceptions of the stakeholders involved in producing the analyses, and to understand the issues, difficulties, and needs. By analyzing vulnerability analysis reports and stakeholders' perceptions, we were able to identify the benefits and limitations of producing such analyses. Recommendations were formulated to support the regular updating of vulnerability analysis reports and to assist municipalities in the development of drinking water source protection plans.

La production et la distribution de l’eau potable sont assujetties à un encadrement légal afin d’assurer une eau potable de qualité et propre à la consommation humaine. Cependant, l’eau peut être vulnérable à la présence de contaminants provenant de la source d’eau, de l’usine de production d’eau potable (UPEP) ou du réseau de distribution. Ce mémoire vise l’étude de deux contaminants d’intérêt émergent pouvant se retrouver dans l’une ou l’autre des composantes du système d’approvisionnement en eau. L’acésulfame de potassium (ACE) est un composé provenant des sources d’eau alors que le chlorure de vinyle (CV) est un contaminant qui provient généralement du réseau de distribution. Présentement, très peu de recherches au Québec et au Canada ont porté sur la présence de ces deux composés dans l’eau potable. Dans ce mémoire, un chapitre se concentre sur la présence du CV dans l’eau potable de certains réseaux de distribution du Québec. Ce contaminant se retrouve dans l’eau potable en raison de son relargage par les conduites de polychlorure de vinyle (PCV) utilisées dans des réseaux de distribution d’eau potable. Les résultats issus de cette étude ont permis de dresser un portrait de la présence du contaminant dans les réseaux étudiés. Les concentrations de CV ont varié entre la limite de quantification méthodologique (LQM), qui est de 0,04 µg/L, et 0,35 µg/L. Le résultat maximal atteint représente une concentration de près de six fois inférieures à la norme exigée par le règlement sur la qualité de l’eau potable du Québec (RQEP). Un autre chapitre du mémoire rapporte l’étude de l’ACE, un contaminant d’intérêt émergent. Cet édulcorant, non biodégradable, se retrouve dans les sources d’eau potable suite à la consommation et à l’excrétion de ce produit par l’humain. Il est acheminé dans l’environnement via les rejets d’eaux usées traitées ou non traitées dans les milieux récepteurs. Ce contaminant a été quantifié à l’eau brute de cinq UPEP à des concentrations moyennes variant de 0,08 ± 0,04 µg/L à 0,14 ± 0,02 µg/L. De plus, l’efficacité des usines à retirer le contaminant de l’eau a aussi été abordée dans cette étude. Dépendamment des procédés de traitement employés, l’efficacité des UPEP à retirer l’ACE a varié entre 21% et 91%. Selon les résultats, la désinfection à l’ozone et au chlore sont les plus efficaces pour retirer l’ACE de l’eau.

Les réseaux de distribution d'eau potable (RDE) revêtent une grande importance dans la gestion des eaux en milieu urbain. Avoir de bonnes informations sur les paramètres qui impactent la qualité de l'eau dans les RDE peut améliorer significativement la gestion des systèmes de distribution d'eau à la fois à court terme, en optimisant les indicateurs de qualité de l'eau, et à long terme, en facilitant la planification stratégique des décideurs. Obtenir des données à l'échelle réelle sur la dégradation du désinfectant secondaire pour différentes caractéristiques de tuyaux est à la fois difficile et impératif pour une gestion efficace de la qualité de l'eau. Les coefficients de réaction cinétique de dégradation du chlore associés au volume d'eau ($k_b$) et à la paroi du tuyau ($k_w$) jouent un rôle essentiel dans la dégradation de la qualité de l'eau. Cependant, la détermination de ces coefficients peut être un processus coûteux et chronophage. Deux indicateurs clés pour évaluer la qualité de l'eau dans un RDE sont CCRL et le temps de séjour de l'eau (TSE). Pour maintenir la CCRL dans des plages acceptables dans l'ensemble du RDE, le placement stratégique et le fonctionnement de stations de rechloration se révèlent avantageux, offrant une option plus flexible et économique par rapport à l'injection de chlore uniquement à l'usine de traitement de l'eau (UTE) ou dans les réservoirs. En revanche, la réduction du TSE peut être réalisée en utilisant des vannes de régulation de débit (*flow control valve*, FCV) pour modifier les parcours hydrauliques, présentant une approche multifacette pour assurer et optimiser la qualité de l'eau dans l'ensemble d'un RDE. Cette recherche aborde ces problèmes en se concentrant sur la détermination des caractéristiques importantes des tuyaux et du système hydraulique qui influencent sur les coefficients de dégradation du chlore. La nouveauté de la recherche se concentre sur la génération de nouvelles données et le développement de méthodes, dans le but de dériver des stratégies pour gérer la qualité de l'eau dans ses nombreux aspects, tels que les CCRL détectables et les temps de rétention de l'eau, à tout moment et n'importe où dans un réseau de distribution d'eau de manière rentable. À travers des analyses statistiques, les caractéristiques des tuyaux et du système hydraulique les plus importantes sont identifiées en les corrélant avec les coefficients de dégradation $k_b$ et $k_w$ estimés dans des conditions à l'échelle réelle dans le RDE principal de la ville de Québec. La recherche identifie également les caractéristiques et les emplacements de tuyaux les plus pertinents pour la détermination spécifique des coefficients de dégradation du chlore dans le RDE. Divers scénarios de valeurs de $k_b$ et $k_w$ sont évalués et comparés avec des données mesurées dans le RDE. Le scénario le plus précis est comparé au scénario le moins coûteux pour identifier les informations les plus efficaces nécessaires, en tenant compte de facteurs tels que l'emplacement dans le RDE et les caractéristiques des tuyaux (période d'installation, diamètre et matériau). Enfin, cette étude vise à développer une approche adaptative à l'échelle réelle unique et innovante pour la gestion rentable des FCV et des stations de rechloration dans le RDE. Cette approche améliore non seulement la qualité de l'eau, mais maintient des plages de pression et de CCRL acceptables, fournissant des informations précieuses pour une gestion efficace du système. La méthodologie proposée est également appliquée au RDE de la ville de Québec, en considérant trois formulations d'optimisation: 1) optimisation du fonctionnement des FCV, 2) optimisation du fonctionnement des stations de rechloration, et 3) une combinaison des deux, appelée gestion adaptative. Les résultats ont montré que la période d'installation influence significativement le $k_w$, notamment pour les tuyaux installés avant 1960. En ce qui concerne les matériaux, les tuyaux en fonte grise présentent une dégradation plus importante des parois que les tuyaux en fonte ductile et en PVC. Dans le RDE de la ville de Québec, les valeurs les plus élevées du coefficient cinétique obtenues correspondaient étroitement aux données de 2020, soulignant le besoin de coefficients cinétiques précis pour des prédictions plus proches de la réalité. Un modèle adaptatif a optimisé les opérations du RDE, améliorant notablement la qualité de l'eau en réduisant le nombre de nœuds avec un CCRL inférieur à 0,2 mg/l de 88% grâce à l'optimisation des stations de rechloration. Cette recherche complète, composée de trois articles interdépendants, aborde chacun des aspects distincts mais interconnectés. Cette recherche facilite la gestion adaptative des réseaux de distribution municipaux dans le monde entier, améliorant la prise de décision concernant la rechloration dans les RDE. Elle vise à minimiser les risques sanitaires et les coûts associés à la désinfection secondaire tout en tenant compte des chemins hydrauliques et de la qualité de l'eau. / Water distribution systems (WDS) have a great importance in the management of urban waters. Having good information about the parameters that impact water quality in WDS can significantly enhance the management of water distribution systems in both the short-term, through optimizing water quality indicators, and the long-term, by facilitating strategic planning by decision makers. Obtaining full-scale data on the degradation of residual disinfectant for various pipe characteristics is both challenging and imperative for effective water quality management. The chlorine degradation kinetic reaction coefficients associated with the bulk volume of water ($k_b$) and at the pipe walls ($k_w$) during water distribution play an essential role in water quality degradation. However, determining these coefficients can be costly and time-consuming. Two key indicators in evaluating water quality within a WDS are free residual chlorine concentration (FRCC) and water residence time (WRT). To maintain FRCC within acceptable ranges across the entire WDS, the strategic placement and operation of chlorine booster stations proved advantageous, providing a more flexible and economic option compared to the exclusive injection of chlorine at the water treatment plant (WTP) or in tanks. Conversely, the reduction of WRT can be achieved by using flow control valves (FCV) to modify hydraulic paths, presenting a multifaceted approach to ensuring and optimizing water quality throughout a WDS. This research addresses these issues by focusing on determining important pipe and hydraulic system characteristics that influence chlorine degradation coefficients. The research novelty focuses on the generation of new data and the development of methods, aiming to derive strategies to manage water quality in its many aspects, such as detectable FRCC and WRT, at any time and anywhere in a WDS cost-effectively. Through statistical analyses, the pipe and hydraulic system characteristics are identified by correlating them with $k_b$ and $k_w$ degradation coefficients estimated in full-scale conditions within Quebec City's primary WDS. The research also pinpoints the most relevant pipe characteristics and locations for the accurate determination of chlorine decay coefficients in the WDS. Various scenarios of $k_b$ and $k_w$ values are evaluated and compared with measured data in the WDS. The most accurate scenario is compared with the lowest-cost scenario to identify the most effective information needed, considering factors such as location within the WDS and pipe characteristics (period of installation, diameter, and material). Finally, this thesis develops a unique and innovative adaptive full-scale approach for cost-effective management of FCV and chlorine booster stations in WDS. This approach not only enhances water quality, but also maintains acceptable pressure and FRCC ranges, providing valuable insights for effective system management. The proposed methodology is also applied to Quebec City's main WDS, considering three optimization formulations: 1) FCV operation optimization, 2) chlorine booster station operation optimization, and 3) a combination of the two, termed adaptive management. The results showed that the installation period significantly influences $k_w$ specially for the pipes installed before 1960. Regarding the materials, grey cast iron pipes showing higher degradation at walls than ductile cast iron and PVC pipes. In Quebec City's WDS, the highest values of obtained kinetic coefficient closely matched the 2020 data, highlighting the need for accurate kinetic coefficients for precise predictions. An adaptive model optimized the WDS operations, notably improving water quality by reducing nodes with FRCC less than 0.2 mg/l by 88% through optimizing chlorine booster stations. This research thesis, comprising three interrelated papers, each paper addresses distinct but interconnected aspects. This research facilitates adaptive management for municipal distribution networks worldwide, improving decision-making on WDS rechlorination. It aims to minimize health risks and costs associated with secondary disinfection while considering hydraulic paths and water quality.

Cette thèse porte sur la variabilité spatio-temporelle de sous-produits chlorés de la désinfection (SPD), plus spécifiquement les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA), ainsi que du temps de séjour (TDS) dans un réseau de distribution en eau potable (RDEP) à l’échelle du quartier résidentiel. La réalisation de cette thèse a nécessité l’étude d’un secteur résidentiel du RDEP de la ville de Québec ayant une aire d’environ 2 km2 et habitée par près de 6000 citoyens. Le premier chapitre est une revue de littérature abordant le chlore résiduel libre ainsi que les concentrations en SPD dans les RDEP, le suivi de la qualité de l’eau, la modélisation des TDS et l’impact du vieillissement et de la réhabilitation des conduites des RDEP sur le TDS et la qualité de l’eau. Le deuxième chapitre porte spécifiquement sur l’analyse de la variabilité spatio-temporelle du chlore résiduel libre, des THM, des AHA et du TDS. Une dimension dominante est identifiée entre les aspects spatial et temporel de la variabilité pour le chlore et les SPD à l’aide de modèles linéaires mixtes généralisés. Ensuite, le potentiel du TDS comme indicateur de la qualité de l’eau au niveau du chlore résiduel libre, des THM et des AHA est analysé par un test des rangs signés de Wilcoxon. Dans le troisième chapitre, une analyse de sensibilité des TDS est effectuée en considérant différents scénarios hydrauliques. Les scénarios considérés sont un vieillissement additionnel ainsi que la réhabilitation des conduites afin d’évaluer leur effet sur le TDS par rapport à un scénario de référence représentant le meilleur état de connaissance du secteur étudié. Une mise en perspective de ces effets sur le TDS par rapport à la concentration en chlore résiduel libre est aussi effectuée. Finalement, l’impact de l’incertitude des paramètres hydrauliques (diamètre, coefficient de rugosité, demandes en eau) sur les TDS est étudié par des simulations Monte-Carlo. / The objective of this thesis is to evaluate the spatial and temporal variability of chlorinated disinfection by-products (DBPs), more specifically trihalomethanes (THM) and haloacetic acids (HAA), and the residence time of water (RT) in a water distribution network (DN) on the scale of a residential neighborhood. A specific residential area in the DN of Quebec City was chosen in order to conduct this study. This area covers approximately 2 km2 and is inhabited by nearly 6000 citizens. The first chapter of this thesis is a literature review addressing free residual chlorine as well as THMs and HAAs concentrations in DNs, monitoring of water quality, modeling of RT and the impact of aging and rehabilitation of pipes on RT and water quality. The second chapter focuses specifically on the analysis of the spatial and temporal variability of free residual chlorine, THMs, HAAs and RT. This variability is studied and a dominant dimension between the spatial and temporal aspect is identified for residual chlorine, THMs and HAAs using generalized linear mixed models. Then, the potential of RT as a water quality indicator for residual chlorine, THMs and HAAs is analyzed by a Wilcoxon signed ranks test. In the third chapter, a sensitivity analysis of RT is performed with different hydraulic scenarios. The scenarios considered are additional aging and rehabilitation of pipes to assess the effect on RT relative to a reference scenario representing the best state of knowledge of the studied area. The effects on RT are also studied in the context of their potential impact on free residual chlorine concentrations. Finally, the impact of the uncertainty of hydraulic parameters (diameter, roughness factor, water demand) on RT is investigated with Monte-Carlo simulations.

Dans la plupart des pays en voie de développement, l'un des défis majeurs à révéler par les pouvoirs publics demeure la couverture des besoins des populations en services sociaux de base (Eau potable, Électricité, Infrastructure d'assainissement, etc.). A Bamako, les problématiques liées à ces services se posent avec beaucoup plus d'acuité que la ville connaît un des taux de croissance démographique et spatiale les plus importants du continent (3,5%) . Malheureusement, cet étalement n'a pu être accompagné par un développement proportionnel des infrastructures adéquates à cause de la faiblesse des ressources de l'Etat. Les difficultés énormes rencontrées par ces pays dans ce domaine ont amené la communauté internationale à initier les OMD. Au Mali, comme partout ailleurs, un impressionnant arsenal institutionnel et juridique a été mis en place à cet effet (PNAEP, Code de l'eau, PNE, PNA, etc.). Grâce à ce dispositif, même si beaucoup reste encore à faire dans le domaine de l'assainissement, les objectifs seront atteints dans le domaine de l'eau. Et pour une meilleure efficacité de la société de distribution de l'eau potable, l'Etat malien a ouvert son capital aux investisseurs privés. Après une expérience de 5 années de partenariat public-privé, marquée par un environnement économique mondial difficile et un contexte sociopolitique complexe, le bilan est diversement apprécié. Bamako et plusieurs autres centres urbains restent partiellement privés d'eau potable. Pour pallier cette présence insuffisante de l'Etat, aussi bien dans le domaine de l'eau potable que de l'assainissement liquide, des initiatives locales se sont développées à travers toute la ville de Bamako. / In the majority of developing countries, one of the major challenges the authorities have to take up is to provide the populations' basic social services needs (drinking water, electricity, cleaning-up infrastructure, etc.). In Bamako, the set of problems linked to these services comes with more severity, as the city has one of the most significant population and spatial growth rate of the African continent (3.5%)1. Unfortunately, this spreading out of Bamako did not go with a proportional development of adequate infrastructures, due to the weakness of the resources the State has. The huge difficulties encountered by these countries in this field led the international community to initiate the Millennium Development Goals (MDGs). In Mali, like everywhere else, an impressive array of institutional instruments and legal arsenal has been enacted for this purpose (the National Drinking Water Access Plan, the Water Code, the National Environmental Policy, the National Sanitation Policy, etc.). Through this mechanism, the goals will be achieved in the area of water, though there is still much to be done in the area of sanitation. In order to ensure a better effectiveness of the drinking water supply company, the Malian government has even opened it up to private investors. After an experience of 5 year public-private partnership, characterized by a tough global economic environment and a complex socio-political context, assessments of the results achieved vary greatly. Bamako and many other urban centers partially remain without drinking water.

L'objectif de ce travail a consisté à (i) déterminer l'occurrence et (ii) à étudier le comportement de différents micro-organismes pathogènes pour l'Homme reconnus comme responsables d'épidémies d'origine hydrique dans des ressources (eaux de surface et eaux de nappes) et des eaux traitées de plusieurs collectivités situées le long de la Moselle. Trois agents microbiologiques aux propriétés morphologiques et intrinsèques très différentes ont été étudiés: des bactéries (C. jejuni et C. coli), des virus entériques (adénovirus humains dont les adénovirus entériques), des parasites (C. parvum, C. hominis, C. meleagridis). Après avoir mis en place différentes méthodologies permettant leur détection, leur quantification et la révélation de leur viabilité et/ou leur infectiosité, nous avons montré que l'eau de la Moselle était largement contaminée par ces pathogènes à des concentrations variables selon la période de l'année. Ainsi par exemple, il a été retrouvé des bactéries C. jejuni plus fréquemment en été que pendant la période hivernale alors que l'inverse a été observé pour les adénovirus humains. Les résultats d'occurrence au niveau des nappes alluviales étudiées ont montré que malgré une protection liée à la filtration naturelle de l'eau, elles pouvaient être contaminées par des campylobacters viables et des adénovirus entériques. Concernant les eaux traitées, plusieurs signatures génomiques liées à ces deux derniers agents (bactérien et viral) ont été révélées par des outils de biologie moléculaire sans qu'un risque en lien avec la viabilité et l'infectiosité puisse être établi. Dans ces eaux, les expérimentations d'inactivation ont clairement montré la grande sensibilité de ces deux agents au traitement chloré mais pas celle des parasites Cryptosporidium qui s'avèrent être les pathogènes les plus résistants quel que soit le milieu ou la température d'incubation / The aim of this study was (i) to determine the occurrence and (ii) to study the behavior of different microorganisms known to cause human waterborne outbreaks in raw waters (surface water and groundwater) and treated water of several reservoirs along the Moselle river. Three pathogens were studied: bacteria (C. jejuni and C. coli), enteric viruses (human adenoviruses which enteric adenoviruses), parasites (C. parvum, C. hominis, C. meleagridis). Because of these micro-organisms have different properties such as size, various methodologies were used for their detection, quantification and viability and/or infectivity. In the study of occurrence we showed that the Moselle river was heavily contaminated by these pathogens in varying concentrations depending on time of the year. For example it was found bacteria C. jejuni more frequently in summer than during winter while the reverse was observed for human adenoviruses. The results obtained in groundwater showed that despite a protection linked to the natural filtration of water, they could be contaminated with viable campylobacters and enteric adenoviruses. In the treated water, several genomic signatures associated with these two agents (bacterial and viral) were revealed by molecular biology tools without any risk related to the viability and infectivity can be established. In these waters, the inactivation experiments clearly showed the high sensitivity of these two agents to chlorination but not the parasite Cryptosporidium, which known to be the most resistant pathogens, whatever the type of water or incubation temperature