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.

Depuis des décennies, les pays du monde entier s'affairent à préserver leurs précieuses ressources en eau potable. Ils cherchent à anticiper les risques et à réduire les impacts anthropiques qui pourraient altérer les sources d'approvisionnement. Au Canada, la protection des sources d'eau potable (PSEP) est mise en œuvre au sein de l'approche à barrières multiples, dont elle est l'une des barrières fondamentales. Cette approche permet une gestion multidimensionnelle de l'eau à l'aide d'outils et des pratiques visant à assurer la qualité de l'eau de la source au robinet. Bien que différents cadres existent pour prendre en compte l'eau dans l'aménagement du territoire, la mise en œuvre de la protection des sources peine à se concrétiser. Pourtant, les acteurs de l'eau et de l'aménagement du territoire ont une grande expérience dans la mise en œuvre d'actions. Alors, comment partager ces expériences afin de les soutenir dans l'identification et la mise en œuvre de futures actions de protection des sources ? Le but de cette thèse est de développer un prototype de système d'aide à la décision à base de connaissances (KB-DSS). Celui-ci a pour objectif de faciliter l'identification d'actions ciblées de PSEP selon les problèmes rencontrés. Pour ce faire, ce prototype a été développé sur la base des connaissances issues des expériences vécues depuis deux décennies au Québec, mettant à contribution des expériences réelles de mise en œuvre d'actions liées à la protection de l'eau. Il est conçu pour être utilisable par tout acteur ayant un intérêt à agir pour protéger les sources d'eau potable à l'échelle locale et régionale, via un transfert de connaissances dans le processus d'élaboration et de mise en œuvre d'actions. En étant un support dans la définition des actions futures, le prototype développé entend encourager les parties prenantes à apprendre les unes des autres. L'originalité de la thèse repose sur l'adoption combinée de l'approche en science du design/de la conception (DSR), qui a servi de lignes directrices pour adopter une démarche collaborative et transparente. Celle-ci a permis une application réussie du raisonnement à base de cas (CBR) au complexe problème de la PSEP dans un cadre de gestion de l'eau et du territoire. De cette démarche sont nés différents outils méthodologiques, procédures et connaissances permettant de mieux comprendre les problèmes liés à la PSEP, mais également d'illustrer la conception intégrale d'un prototype d'aide à la décision à base de connaissances utilisant le CBR. Tout d'abord, le cadre conceptuel (chapitre 1) explore et tente de comprendre les liens qui existent entre la nature des problèmes à résoudre pour protéger l'eau, l'environnement décisionnel et la prise de décision. Pour ce faire, le cadre adopte une approche systémique et holistique superposant différentes théories et concepts tels que la gouvernance de l'eau, la gestion de l'eau, la prise de décision, la rationalité et la connaissance. Cette compréhension des défis sous-jacents à la mise en œuvre de la PSEP permettait de mieux comprendre la complexité du problème à résoudre et posait les bases à l'élaboration du prototype de système CBR proposé. Dans l'optique de mieux comprendre comment les défis soulevés dans le cadre conceptuel se concrétisent en pratique, le second chapitre présente une enquête en ligne documentant la mise en œuvre de la PSEP au Québec. Celle-ci visait à brosser un portrait-diagnostic permettant de mieux comprendre le processus décisionnel, d'identifier qui sont les intervenants et quelles sont les connaissances produites et mobilisées pour la prise de décision sur la PSEP. Les analyses qualitatives et quantitatives des réponses des 208 intervenants retenus ont permis de constater que la mise en œuvre de la PSEP impliquait une grande diversité d'intervenants, de tâches et de connaissances créées et se caractérisait par un fort dynamisme inter-organisationnel. Cependant, on constatait que son processus décisionnel perdait en inclusivité au fil des étapes de mise en œuvre, que les connaissances étaient parfois redondantes et qu'il existait de nombreux enjeux de transfert de connaissances (accès, quantité ou qualité des connaissances) entre les intervenants. Lors de l'enquête en ligne présentée au second chapitre, il a été demandé à certains acteurs (organismes de bassins versants, villes, municipalités régionales de comté) d'illustrer les problèmes liés à la PSEP rencontrés sur le terrain. En parallèle, 102 intervenants se sont auto-recrutés pour participer au processus de design du système d'aide à la décision. Le troisième chapitre présente la démarche d'acquisition et de structuration des connaissances du dit KB-DSS par une approche CBR. Le chapitre décrit une seconde enquête en ligne ayant permis de définir ce qu'est un cas pour la PSEP, soit une expérience vécue qui consiste en une multitude de problèmes et de solutions mises en œuvre. Puis, il décrit la modélisation d'une taxonomie des connaissances ayant permis d'aboutir à des descriptions structurées des cas. La conception des cas repose sur le savoir-faire et les besoins en connaissances exprimés par les acteurs de l'eau. La base de cas constitue l'épine dorsale du prototype de KB-DSS destiné à guider les décideurs dans l'élaboration de solutions fondées sur des expériences passées. Le quatrième chapitre présente le prototype de KB-DSS/CBR pour la protection des sources d'eau potable. Il retrace comment le CBR a été modélisé, structuré, implanté, testé et validé en collaboration avec les 102 acteurs de la gestion et de la gouvernance de l'eau au Québec. Il décrit l'intégralité du processus manuel d'ingénierie de cas pour concevoir des attributs qualitatifs sur la base de la taxonomie des connaissances. Il présente l'édition des cas, le processus et les métriques permettant de retrouver des cas, l'implantation et un exemple d'utilisation ainsi que la validation du prototype, réalisée par une procédure participative rigoureuse et transparente avec un petit groupe d'acteurs de l'eau du Québec. Ainsi, il fournit des preuves empiriques du potentiel positif d'une approche CBR pour la PSEP sur le territoire, et retrace une démarche qui peut être généralisée à d'autres contextes géographiques et socio-économiques similaires. / Countries worldwide have been working for decades to preserve their precious drinking water resources. They seek to anticipate risks or reduce anthropogenic impacts that could alter the water quality and availability. In Canada, drinking water source protection (DSWP), or source water protection (SWP), is implemented as part of the multi-barrier approach and is one of the fundamental barriers. This approach allows for multidimensional water management using tools and practices to ensure water quality from source to tap. Although various frameworks exist to consider water in spatial planning, the implementation of DWSP is struggling to materialize. However, water and spatial planning actors have significant experience implementing actions. So, how can these experiences be shared to support them in identifying and implementing future DWSP actions? The goal of this thesis is to develop a prototype of a knowledge-based decision support system (KB-DSS). The objective of this prototype is to facilitate the identification of targeted actions for water protection according to the problems encountered. To do so, this prototype was developed based on knowledge gained from past experiences conducted over the last two decades in Quebec, using real experiences in implementing actions related to water protection. It is designed to be used by any actor with an interest in contributing for the protection of drinking water sources at the local and regional levels, through the transfer of knowledge in the process of developing and implementing actions. By being a support in the definition of future actions, the developed prototype intends to encourage the actors to learn from each other. The originality of the thesis lies in the combined adoption of the design science approach (DSR), which served as a guideline to adopt a collaborative and transparent approach. This allowed for a successful application of case-based reasoning (CBR) to the complex problem of DWSP in a water and territory management framework. From this approach, various methodological tools, procedures and knowledge were developed to better understand the DWSP problems, but also to illustrate the complete design of a prototype knowledge-based decision support system using CBR. First, the conceptual framework (chapter 1) explores and attempts to understand the links between the nature of the problems to be solved to protect water, the decision-making environment, and the decision-making process. These issues were explored by adopting a system analysis that allowed for layering concepts such as water governance, water management, decision-making, rationality, and knowledge. This holistic understanding of the underlying challenges of DWSP implementation provided a better understanding of the complexity of the problem at hand and laid the foundation for developing the proposed CBR system. To better understand how the challenges raised in the conceptual framework materialize in practice, the second chapter presents an online survey documenting the implementation of DWSP in Quebec. This survey aimed to provide a diagnostic portrait to understand the decision-making process better and identify the actors and the knowledge produced and mobilized for DWSP decision-making. Qualitative and quantitative analyses of the responses from the 208 selected actors revealed that the implementation of DWSP involved a wide variety of actors, tasks and knowledge created and was characterized by great inter-organizational dynamism. However, it was found that the decision-making process becomes less inclusive as actions are implemented. Also, the knowledge was sometimes redundant, and there were many problems with the knowledge transfer (access, quantity, or knowledge quality) between actors. During the online survey presented in the second chapter, selected actors (watershed organizations, municipalities, counties, etc.) were asked to illustrate DWSP-related problems encountered in the field. In parallel, 102 actors were self-recruited to participate in the design process of the KB-DSS. The third chapter presents the acquisition and structuring of DWSP problem-related knowledge. The chapter describes a second online survey that helped define a DWSP case, i.e., a lived experience consisting of a multitude of problems and solutions implemented at various scales by various actors. It then describes the modelling of a knowledge taxonomy that led to structured case descriptions. The design of the cases is based on the expertise and knowledge needs expressed by the water actors. The case base is the backbone of the KB-DSS prototype to guide decision-makers in developing solutions based on past experiences. The fourth chapter presents the prototype KB-DSS/CBR system for DWSP. It traces how CBR was modelled, structured, implemented, tested and validated in collaboration with 102 water management and governance actors in Quebec. It describes the entire manual case engineering process for the design of qualitative attributes from the knowledge taxonomy. It presents the case base, the case edition, and the case retrieval (process and metrics). This chapter also illustrates the implementation using a real-world experience use case, as well as the validation of the prototype, carried out through a transparent, participatory procedure with a small group of water actors in Quebec. Thus, it provides empirical evidence of the high potential of a CBR approach for DWSP in the spatial planning context and describes an approach that can be generalized to other similar geographical and socio-economic contexts.

Le début de l'industrialisation a été marqué par une augmentation nette de l'influence anthropique sur le réchauffement planétaire, et les écosystèmes d'eau douce siègent parmi les premiers rangs des biotopes les plus impactés par ce phénomène. L'augmentation de la température et des précipitations modifient considérablement les propriétés du milieu, affectant directement la biodiversité ambiante. Une surveillance rigoureuse et continue est essentielle afin de détecter, évaluer et gérer adéquatement toute menace environnementale pouvant être attribuée à l'humain. Riches en espèces et florissantes de ressources naturelles, les rivières possèdent des composantes fondamentales pour tout écosystème. Elles sont également essentielles à la santé de l'humain, à son développement économique et à son approvisionnement en eau potable. La rivière Mishta-shipu (rivière Moisie) est située majoritairement dans la région administrative de la Côte-Nord, au Québec. Elle est réputée mondialement comme étant l'une des plus importantes rivières à saumon de l'Atlantique (Salmo salar). De plus, en tant qu'autoroute principale menant aux territoires ancestraux, sa valeur patrimoniale se veut inestimable pour les communautés autochtones locales qui ont survécu durant des milliers d'années grâce à ses ressources. Considérant toute cette richesse et l'absence de données scientifiques suffisantes, l'objectif global de cette étude était donc de brosser un portrait global et représentatif de la qualité actuelle de la rivière. Ce projet a été réalisé à travers le bassin versant de la Mishta-shipu, sur un total de huit stations à l'intérieur desquelles trois sites ont été échantillonnés. Les analyses ont été effectuées à l'aide d'indicateurs physico-chimiques, c'est-à-dire la qualité de l'eau et des sédiments, combinés à une caractérisation des macroinvertébrés benthiques, et ce en tenant compte des principales activités humaines pouvant impacter la qualité de la rivière. Les résultats obtenus suggèrent qu'à l'intérieur de certaines stations, certains sites subissent une pression pouvant être associée à l'humain.