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.

Dans des conditions de climat humide et lorsque les sols sont peu perméables, les systèmes de drainage souterrains sont généralement utilisés pour contrôler le niveau de la nappe phréatique et améliorer la production agricole. Cependant, les drains souterrains modifient à la fois les voies d'écoulement hydrologique et les taux de transport des nutriments des terres cultivées vers les eaux de surface, pouvant détériorer la qualité des eaux souterraines et de surface. De plus, des macropores sont souvent présents dans les sols composés de till argileux, ce qui génère un flux d'eau rapide et riche en nutriments de la surface du sol vers les drains souterrains. Une approche rentable pour réduire le lessivage des nutriments provenant de l'agriculture consiste à imposer des restrictions uniquement dans les zones vulnérables à la contamination de l'eau. Ces zones peuvent être identifiées à l'aide de modèles hydrologiques distribués. Les résultats obtenus sur de petits bassins versants expérimentaux doivent être simplifiés pour être appliqués à des échelles plus grandes, généralement requises pour l'élaboration de politiques. L'objectif de cette étude était d'examiner les avancées et les limitations de l'inclusion des drains souterrains dans les modèles d'écoulement de surface et souterrain. Les objectifs spécifiques étaient de i) démontrer l'utilisation des estimations de conductivité électrique spécifique (CE), pour améliorer les simulations hydrologiques dans un champ drainé, ii) étudier l'efficacité d'un modèle hydrologique et de transport de soluté tridimensionnel pour simuler un test de traçage de bromure (Br) dans un champ drainé et iii) évaluer différents modèles conceptuels de drains souterrains et d'hétérogénéité du sol pour la simulation numérique du drainage dans un bassin versant agricole au Danemark. Les résultats suggèrent que la simulation de la profondeur de la nappe phréatique peut être améliorée par l'inclusion d'hétérogénéités basées sur des estimations de la CE. L'approche des seepage nodes était appropriée pour simuler les débits de drainage, cependant la précision des simulations était meilleure pour les modèles à l'échelle du terrain. À l'échelle du bassin versant, le fait de ne représenter que les drains principaux est approprié pour pouvoir utiliser des maillages plus grossiers et pour simuler le débit des cours d'eau et les faibles profondeurs des eaux de surface dans les zones drainées. Des résultats similaires ont été obtenus lorsque les seepage nodes ont été appliqués sur l'ensemble des zones agricoles, sans tenir compte de l'emplacement spécifique des drains souterrains. Cette dernière approche peut être appliquée lorsque les drains souterrains ne sont pas cartographiés, ce qui est généralement le cas. Une représentation simplifiée de l'hétérogénéité et de la macroporosité peut expliquer les différences entre ls valeurs observées et simulées des charges hydrauliques, débits de drainage et processus de transport de solutés. Les approches de modélisation étudiées dans cette thèse peuvent améliorer la représentation de la dynamique de l'écoulement souterrain et les simulations du transport de substances agrochimiques lessivées des champs cultivés, telles que le nitrate et phosphate. / Under humid climate conditions and for low-permeability soils, subsurface tile drains are usually employed to lower the water table and enhance agricultural production. However, tile drains alter both the hydrologic flow pathways in agricultural catchments and the rates of nutrient transport from cropland to surface water bodies, potentially impairing the groundwater and surface water quality. Furthermore, macropores are often present in clayey till soils, generating rapid and nutrient-rich water flow from the ground surface to the tile drains. A cost-effective approach to reduce nutrient leaching from agriculture is to impose restrictions only in vulnerable areas to water contamination, which can be identified using distributed hydrological models. Results on small experimental catchments need to be simplified for application on larger scales, usually required for policy-making purposes. The objective of this study was to investigate the outcomes and limitations of including tile drains in surface and subsurface flow models. Specific objectives were to i) demonstrate the use of electrical conductivity (EC) estimates to improve hydrological simulations in a tile-drained field, ii) investigate the efficiency of a three-dimensional hydrological and solute transport model to simulate a bromide (Br) tracer test in a tile-drained field and iii) assess different conceptual models for tile drains and soil heterogeneity for the numerical simulation of tile drainage in an agricultural catchment in Denmark. The results suggest that the simulation of the water table depth can be improved by the inclusion of heterogeneities based on EC estimates. The seepage nodes approach was suitable to simulate drain discharge, however the accuracy of the simulations was better for the field-scale models. At the catchment scale, representing only the main drains was suitable to reduce the mesh refinement and simulate stream flow and low surface water depths in drained areas. Similar results were obtained when seepage nodes were applied all over the agricultural areas, without considering the specific location of tile drains. The later approach can be applied when tile drains are not mapped, which is usually the case. The misrepresentation of heterogeneity and macroporosity may explain the differences between observed and simulated hydraulic heads, drain discharge and solute transport processes. The modeling approaches investigated in this dissertation can improve subsequent simulations of tile drainage and the transport and fate of leached agrochemicals such as nitrate or phosphate.

La nécessité du traitement d'eaux de ruissellement routier chargées en sel de voirie (sodium, calcium, chlorure) et d'eaux issues d'une agriculture intensive (phosphore) a permis l'étude (Saint-Augustin, Canada) et l'évaluation de la transposition (Massif-Central, France) d'une unité filtrante basée sur des principes physicochimiques d'adsorption. Un suivi qualitatif et hydraulique des eaux de surface ainsi qu'une étude des matériaux constituant l'unité (calcite, dolomie, pouzzolane, anthracite) ont été accomplis. Des mesures de débit par déversoir, essais de traçage, échantillonnage d'eau ont été réalisés sur terrain. Des essais d'adsorption, cinétiques, isothermes et colonnes ont été faits en laboratoire. L'étude terrain a montré que l'unité filtrante est assimilable à un réacteur piston pour des débits supérieurs à 400 mL/s, et permet un abattement maximum respectif de 67%, 71% et 70% pour le chlorure, calcium et phosphore total. L'étude en laboratoire a révélé une adsorption de 20% du sodium (calcite) et 15,4% du chlorure (dolomie). / The treatment necessity of run off water concentrated in road salts (sodium, calcium, chloride) and intensive agriculture stemming waters (phosphor) allowed the study (Saint-Augustin, Canada) and the evaluation of the transposition (Massif-Central, France) of a filtering unit based on adsorption physicochemical properties. A qualitative and hydraulic follow-up of surfaces waters as well as a study of the unit constituting materials (calcite, dolomite, pozzolan, anthracite) were carried out. Flow measures by overflow, tracers tests, water sampling were realized on the field. Adsorption, kinetics, isotherms and columns tests have been made in laboratory. The field study showed that the filtering unit is comparable to a plug flow reactor for flows over 400 mL/s, and allows a respective maximum allowance of 67%, 71% and 70% for the chloride, calcium and total phosphor. The study in laboratory revealed an adsorption of 20% for the sodium (calcite) and 15,4% for the chloride (dolomite).

Les systèmes hydrogéologiques devraient réagir au changement climatique de manière complexe. En région froide, la simulation de l'effet du changement climatique nécessite un modèle hydrologique intégré de pointe. Dans cette recherche, un modèle numérique entièrement couplé en 3D a été développé pour simuler l’écoulement des eaux souterraines et le transport de chaleur dans un bassin versant dans la région d'Umiujaq, dans le nord du Québec, au Canada. Le bassin versant est situé dans une zone de pergélisol discontinue et contient une épaisse couche glaciofluviale à grains grossiers formant un bon aquifère sous une unité gélive de silts marins sensible au gel. Une étude de terrain détaillée a été réalisée pour mesurer les caractéristiques du bassin versant telles que les propriétés hydrauliques et thermiques et la distribution des unités géologiques. Trois méthodes différentes disponibles dans le logiciel PEST sont utilisées pour caler le modèle 3D par rapport aux charges hydrauliques mesurées. Les résultats ont montré que l'utilisation de méthodes de calage simplifiées, telles que la méthode de zonation, n'est pas efficace dans cette zone d'étude, qui est très hétérogène. L’utilisation d’un calage plus détaillé par les méthodes du système PEST de points pilotes a permis de mieux s’adapter aux valeurs observées. Cependant, le temps de calcul était élevé. L'effet de la condition initiale pour la simulation du transport de chaleur est étudié en appliquant une condition initiale différente au modèle. Les résultats montrent que l'inclusion du processus de démarrage dans les simulations produit des températures simulées plus stables. Les zones du modèles à des profondeurs plus élevées, en-dessous de la profondeur de pénétration des variations saisonnières de température, nécessitent des temps de simulation plus longs pour être en équilibre avec les conditions limites appliquées. Les résultats montrent que l'application de la température moyenne de surface en tant que condition limite pour la simulation du transport de chaleur donne un meilleur ajustement aux valeurs observées en été qu'en hiver. En hiver, du fait de l’épaisseur variable de la neige dans le bassin versant, l’utilisation d’une température de surface uniforme diminue la qualité de l’ajustement aux valeurs observées. L'inclusion de l'advection dans la simulation du transport de chaleur accélère le taux d'augmentation de la température. De plus, l'eau chaude qui pénètre dans le sous-sol augmente la température souterraine dans les zones de recharge. Lorsque les eaux souterraines s'écoulent, elles perdent de l'énergie thermique. Par conséquent, le taux d’augmentation de la température dans les zones de décharge est inférieur à celui des zones de recharge. / Groundwater systems are expected to respond to climate change in a complex way. In cold regions, simulating the effect of climate change requires a state-of-the-art integrated hydrologic model. In this research, a fully coupled 3D numerical model has been developed to simulate groundwater-surface water flow and heat transport in a 2-km² catchment in Umiujaq, Nunavik (northern Quebec), Canada. The catchment is located in a discontinuous permafrost zone. It contains a lower aquifer, consisting of a thick coarse-grained glaciofluvial layer, overlain by a frost-susceptible silty marine unit and a perched upper aquifer. Detailed field investigations have been carried out to characterize the catchment, including its hydraulic and thermal properties and the subsurface geology. Three different calibration methods using the inverse calibration code PEST were used to calibrate the 3D flow model against measured hydraulic heads, assuming a fixed distribution of low hydraulic conductivity for discontinuous permafrost blocks. Heat transfer was not considered for this calibration. Results showed that using simplified calibration methods, such as the zoning method, is not efficient in this study area, which is highly heterogeneous. Using a more detailed calibration, such as the pilot-points method of PEST, gave a better fit to observed values. However, the computational time was significantly higher. In subsequent simulations, which included heat transport, different approaches for assigning initial temperatures during model spin-up were investigated. Results show that including the spin-up process in the simulations produces more realistic simulated temperatures. Furthermore, the spin-up improves the model fit to deeper subsurface temperatures because areas of the subsurface below the depth where seasonal surface temperature variations penetrate require longer simulation times to reach equilibrium with the applied boundary conditions. Applying the annual average surface temperature as the boundary condition to the heat transport simulation provided a better fit to observed values in the summer compared to winter. During winter, because of different snow thicknesses throughout the catchment, using a uniform surface temperature results in a poor fit to observed values. v Simulations show that warm water entering the subsurface increases the subsurface temperature in the recharge areas. As groundwater flows through the subsurface, it loses thermal energy. Therefore, discharging water is cooler than recharging water. This causes the rate of temperature rise to be lower in discharge areas than in recharge areas. The modelling results have helped provide insights into 3D simulation of coupled water flowheat transfer processes. Furthermore, it will help users of cryo-hydrogeological models in understanding effective parameters in development and calibration of model to develop their own site-specific models.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 mai 2023) / L'impact de l'urbanisation couplé aux changements climatiques influence le régime hydrologique, entrainant d'importants défis de gestion des eaux pluviales. Dans ce contexte, l'utilisation d'infrastructures végétalisées tels les systèmes de biorétention et les noues végétalisées est de plus en plus fréquente en Amérique du Nord au cours des dernières années afin d'intercepter, de ralentir et de filtrer les eaux de ruissellement. Or, peu de données sont disponibles quant à la sélection des espèces adaptées sous climat froid, malgré le fort intérêt des municipalités pour ces phytotechnologies. L'influence du positionnement sur la croissance des végétaux ainsi que le suivi évolutif des substrats sont également des facteurs qui restent à étudier. Ainsi, l'objectif de ce projet consistait à évaluer la survie et la croissance d'espèces à différentes positions et de suivre l'évolution des propriétés physico-chimiques des substrats pendant les trois années suivant l'implantation de noues végétalisées en juillet 2020. Pour le volet sur les végétaux, 22 espèces ont été suivies au sein de 48 noues végétalisées dans une banlieue de la ville de Québec. Pour ce qui est du volet sur les substrats, ce sont 12 noues parmi celles choisies au volet sur les végétaux qui ont été sélectionnées pour le dispositif expérimental. Les principaux paramètres examinés comprenaient la survie, la croissance foliaire et la floribondité des végétaux implantés, la prépondérance et la diversité des adventices, ainsi que les propriétés chimiques, la conductivité hydraulique saturée et la teneur en eau volumétrique du substrat. Les résultats ont permis de confirmer que le positionnement dans la noue exerçait une influence importante sur la croissance des espèces. Quinze espèces se sont avérées bien adaptées, tandis que les sept autres démontraient une survie et une croissance moindre. Enfin, une augmentation de la concentration en polluants et une baisse de la vitesse d'infiltration de l'eau dans le substrat ont été observées au fil du temps. Une bonne compréhension de l'impact du positionnement des espèces sur leur développement peut contribuer à l'amélioration de la disposition des végétaux dans les aménagements et ainsi maximiser la performance des ouvrages. En complément, de bonnes pratiques d'entretien sont importantes afin de minimiser la compaction des substrats et de favoriser la croissance des végétaux. / Urbanization coupled with climate change is influencing the hydrological regime, resulting in significant stormwater management challenges. In this context, the use of green infrastructures such as bioswales and bioretention systems to intercept, slow down and filter runoff has been increasing in North America in recent years. However, little data is available on the selection of optimal plant species adapted to cold climates, despite the strong interest of municipalities for these phytotechnologies. The influence of positioning on the establishment and growth of plants as well as the intra and inter-seasonal evolutionary monitoring of substrates are also factors that require further investigation. Thus, the main objective of this project was to evaluate the growth and survival of plant species at various positions, and to monitor the evolution of the physico-chemical properties of substrates for three years following the construction of planted stormwater management systems. For the plant component, 22 species were monitored within 48 bioretention cells built in a proximal suburb of Quebec City, starting from the project implementation in July 2020. As for the substrate component, a subset of 12 bioretention cells were selected from those where plants were monitored. Key parameters evaluated during this project included survival rate, leaf growth and floridity of the plants, weed abundance and diversity, as well as the chemical properties, saturated hydraulic conductivity, and relative moisture content of the growing substrate. The results confirmed that plant positioning in the bioretention cells had an important influence on their growth. Fifteen species were found to be well adapted to the environmental conditions, while the other seven showed reduced survival and growth. Finally, an increase in pollutants and nutrients concentration as well as a decrease in water infiltration were observed over time in the bioretention cells. A better knowledge of the plant interaction in spatial and temporal distribution can contribute to improve the planting arrangements and thus potentially maximize the bioretention performance for better stormwater management. In addition, good maintenance practices are important to minimize substrate compaction and promote plant growth.

L’augmentation considérable de l’eutrophisation des eaux de surface dans les dernières décennies a mené à la création de stations de récupération des ressources de l’eau (StaRRE) de plus en plus instrumentées pouvant procéder à l’élimination des nutriments. Pour assurer l’efficacité des procédés de récupération, plusieurs paramètres de qualité des eaux doivent être surveillés. Des méthodes en ligne et hors-ligne existent pour réaliser cette surveillance. Cependant, certains paramètres sont difficilement mesurés en ligne, alors des analyses en laboratoire sont toujours de mise. La titrimétrie est une méthode hors-ligne permettant la surveillance de la qualité des eaux en laboratoire. Un appareil Titrino a été installé afin de procéder à l’analyse titrimétrique des eaux usées de l’usine pilEAUte, une StaRRE de traitement expérimentale de 12 m3 située sur le campus de l’Université Laval. L’eau usée de cette station provient d’une résidence étudiante du campus et de ses environs. L’eau pompée vers la station est stockée dans un bassin de 5 m3 avant d’être acheminée à un décanteur primaire. L’effluent du décanteur est alors envoyé vers deux chaînes de traitement biologique composées de cinq bioréacteurs chacune. Enfin, l’eau est acheminée vers deux décanteurs secondaires. Dans le cadre de ce projet, des campagnes de mesure ont été réalisées afin de comparer les données provenant de capteurs en ligne avec l’information extraite d’expériences de titrimétrie pour la mesure de la qualité des eaux usées de la station. Ces campagnes de mesure ont été réalisées en lien avec de projets menés avec des partenaires industriels. L’objectif de cette étude est d’évaluer l’efficacité des analyses de titrimétrie pour la mesure de la qualité de l’eau à l’affluent et à l’effluent d’une StaRRE. Les données extraites de la titrimétrie sont analysées de deux façons différentes: la modélisation de la capacité tampon de l’eau et la modélisation de l’équilibre chimique via le logiciel PHREEQC. Ces méthodes ont été mises en place, puis comparées sur la base de leur efficacité pour mesurer la concentration de certaines substances tampon présentes dans les eaux usées. Pour améliorer les estimations des modèles, des améliorations au protocole d’utilisation du Titrino ont été développées. Il a été déterminé que l’utilisation d’une couverture d’azote gazeux et le stripage du CO2 dissout dans les échantillons sont nécessaires à la réalisation de titrations fiables, et sont donc aussi nécessaires à la mesure de substances tampon autre que l’alcalinité, soit l’ammoniaque et les acides gras volatils (AGV). Afin de valider les résultats obtenus à l’aide du modèle de capacité tampon et afin d’obtenir une description complète de l’équilibre chimique des solutions analysées, un modèle de simulation de la procédure de titration a été développé avec le logiciel PHREEQC et l’interface PHREEQXCEL. Cet environnement de simulation a été supplémenté du solveur OpenSolver, un complément Excel à licence libre capable de réaliser les estimations de paramètres requises pour estimer la concentration de chaque espèce chimique présente dans les échantillons. De plus, la base de données de réactions chimiques de PHREEQC a été modifiée afin d’inclure toute l’information chimique nécessaire à la modélisation des spéciations se produisant dans les eaux usées. Après avoir proposé ces améliorations et avoir comparé les résultats des analyses de titration à des analyses chimiques conventionnelles, il a été déterminé que la titrimétrie est une alternative fiable pour la surveillance de la performance des procédés de récupération des nutriments des eaux usées. / The considerable rise of eutrophication in water bodies has led to highly instrumented water resource recovery facilities (WRRFs) that can perform nutrient removal processes. To ensure the efficiency of these processes, several parameters that influence the performance of WRRFs need to be well thought out. The latter requires monitoring strategies composed of on-line and off-line methods. Lately, on-line measurements have contributed significantly to monitor and characterize the quality of water and wastewater. However, on-line measurements are not applicable or not implemented yet for some specific areas. For this, off-line laboratory methods are welcome alternatives. Titrimetry is one of the examples of a low-cost off-line method that allows characterizing aquatic streams. Concerning titrimetric monitoring of wastewater, a Titrino device was installed in the laboratory of the 12 m3 pilEAUte WRRF located at Université Laval. The wastewater feeding the plant is coming from a student residence building on campus. The water pumped to the station is feeding a storage tank with a volume of 5 m3 , from which it is then pumped to a primary clarifier. The influent stream is then split into two similar treatment lines, composed of several bioreactors. These two lanes are followed by two secondary settling tanks. In this work, sampling campaigns were performed to compare the sensor data and the off-line titrimetric measurements in a framework of research projects in which industrial partners are involved. The goal of this study was to investigate the efficiency of using titrimetry to analyze and characterize influent and effluent samples of a WRRF. Two data interpretation methods, buffer capacity and PHREEQC, were tested and their performances in estimating the concentration of the concerned buffers were evaluated. For better model estimation, first, some of the lab procedures were improved. It was found out that nitrogen blanketing and CO2 stripping are necessary to perform reliable titration, and thus, to measure other concerned buffers besides alkalinity, such as ammonia and volatile fatty acids (VFA). Moreover, to validate the results of the buffer capacity model and to have a complete description of the equilibrium reactions of the chemical system under study, a titration simulation model was successfully built in PHREEQC with the PHREEQXCEL interface. This titration lab simulation was extended with the OpenSolver, an open-source Excel add-in, which allows to reliably perform the parameter estimation needed to find the concentration of the different species in the sample. In addition, PHREEQC’s database was modified to include all the model components and their essential chemical information for the speciation calculations.After introducing the mentioned lab and modelling improvements, the reliability of the titrimetric measurements for monitoring the performance of nutrient removal was enhanced.

La pollution des eaux de surface par les pesticides est un problème sérieux. Cette pollution étant en grande partie liée à l’activité agricole, la mise en place de pratiques permettant de limiter les transferts de pesticides vers les eaux de surface représente une solution intéressante. Afin d’apprécier l’efficacité de tels projets il est important de développer des méthodes spécifiques d’évaluation agri-environnementale. Si les méthodes d’évaluation parcellaires sont opérationnelles, celles à l’échelle du bassin versant ne sont pas encore bien adaptées aux besoins des acteurs de terrain. Ce travail a pour objectif de développer un indicateur de risque d’exposition des eaux de surface aux pertes de pesticides par ruissellement à l’échelle du bassin versant. Pour ce faire, nous avons développé deux indicateurs : un indicateur parcellaire évaluant l’impact des pratiques agricoles sur les pertes de pesticides par ruissellement en sortie de parcelle et un indicateur de connectivité estimant la contribution de chaque parcelle au ruissellement global du bassin versant. Le couplage de ces deux indicateurs permet d’obtenir un outil d’évaluation du risque des pratiques phytosanitaires spécifique d’un bassin versant et de comparer des scenarii. Les méthodes de développement des deux indicateurs se distinguent des méthodes classiques par leur fondement sur un couplage indicateur / modèle. L’hypothèse méthodologique principale sur laquelle repose ce travail est qu’à partir des processus décrits par les modèles, il est possible d’explorer une gamme de situations très large et de créer une base de connaissances qui permet de développer nos indicateurs / Surface water pollution by pesticides is a great environmental concern. In order to limit pesticides transfers from agricultural field to surface water, mitigation strategies are implemented. Their effectiveness has then to be assessed by specific tools. Most of pesticide runoff risk assessment tools are simple indicators or simulation models. Both can be performing for field application but most of the available methods are not yet adapted to help catchment managers in their decision process. Simple indicators lack taking into account inherent variability of watersheds structures and mechanistic models demands too many data to be used as routine tools. The aim of this study is then to develop a catchment scale pesticide runoff risk assessment tool to help catchment managers to identify risky situations. We developed two indicators: one to assess agricultural impact on pesticide runoff risk at a field scale and the other field spatial position impact on runoff route from the field to the hydrological network. Aggregating those two indicators lead us to assess catchment fields pesticide runoff risk and allows comparing agronomical or climatic scenarios. We based both indicators on modelling assuming that processes described by model make possible to explore wide factors variation ranges and to build databases on which indicators are developed

La présence de résidus de médicaments a été évaluée dans des eaux superficielles et des effluents de huit stations d'épuration (quatre rejetant dans l'estuaire de Seine dans le cadre du projet Medseine financé par le GIP Seine- Aval, quatre dans le cadre du projet Toxstep financé par l'Anses (ex-Afsset). Une centaine de molécules a été systématiquement recherchée dans les deux types d'eaux en appliquant des méthodologies analytiques impliquant une extraction solide liquide suivie une analyse par LC-MS/MS. Un suivi saisonnier des rejets de médicaments a été effectué également. Des résidus de médicaments ont été systématiquement quantifiés dans les deux types d'eaux. Les concentrations mesurées dans des eaux de surface sont significatives pour certains composés : de 1 à 108 ng/L pour diclofénac, de 2 à 324 ng/L pour ibuprofène. Pour d’autres, les valeurs sont beaucoup plus faibles : de 2 à 13 ng/L pour sulfapyridine, de 1 à 5 ng/Lpour nordiazépam. Dans les effluents de STEP, les anti-inflammatoires, les β-bloquants, les macrolides et les fluoroquinolones sont plus souvent détectés. Leurs concentrations peuvent varier fortement : de 62 ng/L à 10 μg/L pour sotalol, de 39 ng/L à 8 μg/L pour aténolol et plus particulièrement de 32ng/L jusqu’à 127 μg/L pour paracétamol. Par ailleurs, la stabilité des résidus de médicaments vis à vis des rayonnements lumineux a été évaluée. Des irradiations UV (à 254 nm) pouvant potentiellement être utilisés en étape finaleavant rejet dans des zones particulièrement sensibles ont été appliquées (avec des doses allantjusqu'à 1500 J/m2. Par ailleurs, compte tenu du fait que les effluents sont ensuite majoritairement rejetés dans des eaux superficielles, ils sont soumis aux rayonnements solaires et cette exposition a également été évaluée. Le phénomène de photodégradation à 254 nm a été bien observé sur certains composés comme diclofénac, kétoprofène (> 90% dégradé), ciprofloxacine,norfloxacine (jusqu’à 75% dégradé). L’azithromycine, la clarithromycine, la carbamazépine et l’aténolol... sont des composés plus stables avec les rayonnements lumineux. En exposant sous lumière solaire simulée, le diclofénac, la kétoprofène, la ciprofloxacine et la norfloxacine sontaussi des composés sensibles (> 90% dégradé) après 24 h d’exposition (172,8 kJ/m2). La carbamazépine, la sulfaméthoxazole, l’aténolol, bisoprolol et métoprolol sont des composés plus stables observés. / The presence of pharmaceuticals was evaluated in Seine surface waters and in eight wastewater treatment plants (WWTP) effluents (4 WWTP within MEDSEINE - GIP Seine – Aval project and 4 WWTP within TOXSTEP – ANSES project. A hundred molecules was systematically reseached in both types of waters by applying the analytical methodologies (SPE solid phase extraction followed by LC-MS/MS analysis). A seasonal monitoring of pharmaceutical residues was also carried out. The pharmaceutically residues have been systematically quantified in this both types of water. The concentrations in suface of waters are significative for some molecules: 1 – 108 ng/L for diclofenac, 2 – 324 ng/L for ibuprofen and the values are weakly for some molecules: 2 – 13 for sulfapyridine, 1 – 5 for nordiazepam. Non steroidal anti-inflammatory drugs, β-blockers, macrolides and fluoroquinolones are mostly founded in the effluents of WWTP. Their concentrations were measured in the range: 62 ng/L – 10 µg/L for sotalol, 39 ng/L – 8 µg/L for atenolol, 32 ng/L – up to 127 µg/L for paracetamol.Moreover, the stability of pharmaceuticals was evaluated with light radiation . UV irradiation (at 254 nm) potentially used in the final WWTP before discharge in particularly areas have been applied (with a dose up to 1500 J/m2). Sunlight simulations have also been done. The phenomenon of photodegradation at 254 nm has been observed for some molecules such as : diclofenac, ketoprofen (>90% degraded), ciprofloxacine, norfloxacine (up to 75% degraded). Azithromycinem clarithromycine, carbamazepine and atenolol are most stable molecules observed. Exposing under simulated sunlight, diclofenac, ketoprofen, ciprofloxacine and norfloxacine are also sensitive molecules (>90 % degraded) after 24 hours of exposure (172.8 kJ/m2). Carbamazepine, sulfamethoxazole, atenolol, metoprolol and bisoprolol are most stable molecules observed.

Les eaux superficielles sont nécessaires à toute forme de vie en tant que parties intégrantes de tout processus de vie sur Terre. Quantifier les eaux de surface et suivre leurs variations est primordial en raison du lien direct qui existe entre les variables hydrologiques et le changement climatique. La télédétection par satellite, de l’hydrologie continental offre l’opportunité unique d’étudier, depuis l’espace, les processus hydrologiques à différentes échelles (régionale et globale). Dans cette thèse, différentes techniques ont été développées afin d’étudier les variations des eaux superficielles ainsi que d’autres variables hydrologiques, au niveau du bassin inférieur du Mékong (entre le Vietnam et le Cambodge) et ce en utilisant plusieurs estimations satellitaires différentes. Cette thèse s’articule autour de quatre points principaux. Premièrement, l’utilisation d’observations satellitaires dans le visible et dans l’infrarouge (MODIS) est étudiée et comparée afin d’évaluer les eaux de surface au niveau du bassin inférieur du Mékong. Quatre méthodes de classification ont été utilisées afin de différencier les types de surface (inondés ou pas) dans le bassin. Les différentes méthodes ont donné des cartes d’eaux de surface aux résultats semblables en terme de dynamique saisonnière. La classification la plus adaptée aux régions tropicales a été ensuite choisie pour produire une carte des eaux de surface à la résolution de 500 m entre janvier 2001 et aujourd’hui. La comparaison des séries temporelles issues de cette carte et de celles issues du produit de référence MODIS donne une forte corrélation temporelle (> 95%) pour la période 2001-2007. Deuxièmement, l’utilisation des observations issues du satellite SAR Sentinel-1 est examinée à des fins identiques. L’imagerie satellitaire optique est ici remplacée i par les images SAR qui grâce aux longueurs d’ondes utilisées dans le micro-ondes, permettent de « voir » à travers les nuages. Un jeu d’images Landsat-8-sans-nuage est alors utilisé pour entraîner un Réseau de Neurones (RN) afin de restituer des cartes d’eaux de surface par l’utilisation d’un seuillage sur les sorties du modèle RN. Les cartes sont à la résolution spatiale de 30 m et disponibles depuis janvier 2015. Comparées aux cartes de référence Landsat-8-sans-nuage, les sorties de modèles RN montre une très grande corrélation (90%) ainsi qu’une détection "vraie" à 90%. Les cartes restituées d’eaux de surface utilisant la technologie SAR sont enfin comparées aux cartes d’inondation issues de données topographiques. Les résultats montrent une fois encore une très grande consistance entres les deux cartes avec 98% des pixels considérés comme inondés dans cartes SAR se trouvant dans les régions de très grande probabilité d’inondation selon la topographie (>60%). Troisièmement, la variation volumique des eaux de surface est calculée comme le produit de l’étendue de la surface avec la hauteur d’eau. Ces deux variables sont validées à l’aide d’autres produits hydrologiques et montrent de bons résultats. La hauteur d’eau superficielle est linéairement interpolée aux régions non inondées afin de produire des cartes mensuelles à la résolution spatiale de 500 m. La hauteur d’eau est ensuite analysée pour estimer les variations volumiques. Ces résultats montrent une très bonne corrélation avec la variation volumique induite par la mesure du contenu en eau du satellite GRACE (95%) ainsi qu’avec la variation des mesures in situ de débit des rivières. Finalement, deux produits globaux et multi-satellites d’eaux superficielles sont comparés à l’échelle régionale et globale sur la période 1993-2007: GIEMS et SWAMPS. Lorsqu’elles existent, les données auxiliaires sont utilisées afin de renforcer l’analyse. Les deux produits montrent une dynamique similaire, mais 50% des pixels inondés dans SWAMPS se trouvent le long des côtes. / Surface water is essential for all forms of life since it is involved in almost all processes of life on Earth. Quantifying and monitoring surface water and its variations are important because of the strong connections between surface water, other hydrological components (groundwater and soil moisture, for example), and the changing climate system. Satellite remote sensing of land surface hydrology has shown great potential in studying hydrology from space at regional and global scales. In this thesis, different techniques using several types of satellite estimates have been made to study the variation of surface water, as well as other hydrological components in the lower Mekong basin (located in Vietnam and Cambodia) over the last two decades. This thesis focuses on four aspects. First, the use of visible/infrared MODIS/Terra satellite observations to monitor surface water in the lower Mekong basin is investigated. Four different classification methods are applied, and their results of surface water maps show similar seasonality and dynamics. The most suitable classification method, that is specially designed for tropical regions, is chosen to produce regular surface water maps of the region at 500 m spatial resolution, from January 2001 to present time. Compared to reference data, the MODIS-derived surface water time series show the same amplitude, and very high temporal correlation for the 2001-2007 period (> 95%). Second, the use of SAR Sentinel-1 satellite observations for the same objective is studied. Optical satellite data are replaced by SAR satellite data to benefit the ability of their microwave wavelengths to pass through clouds. Free-cloud Landsat-8 satellite imagery are set as targets to train and optimize a Neural Network (NN). Predicted surface water maps (30 m spatial resolution) are built for the studied region from January 2015 to present time, by applying a threshold (0.85) to the output of the NN. Compared to reference free-cloud Landsat-8 surface water maps, results derived from the NN show high spatial correlation (_90%), as well as true positive detection of water pixels (_90%). Predicted SAR surface water maps are also compared to floodability maps derived from topography data, and results show high consistency between the two independent maps with 98% of SAR-derived water pixels located in areas with a high probability of inundation (>60%). Third, the surface water volume variation is calculated as the product of the surface water extent and the surface water height. The two components are validated with other hydrological products, and results show good consistencies. The surface water height are linearly interpolated over inundated areas to build monthly maps at 500 m spatial resolution, then are used to calculate changes in the surface water volume. Results show high correlations when compared to variation of the total land surface water volume derived from GRACE data (95%), and variation of the in situ discharge estimates (96%). Fourth, two monthly global multi-satellite surface water products (GIEMS & SWAMPS) are compared together over the 1993-2007 period at regional and global scales. Ancillary data are used to support the analyses when available. Similar temporal dynamics of global surface water are observed when compared GIEMS and SWAMPS, but _50% of the SWAMPS inundated surfaces are located along the coast line. Over the Amazon and Orinoco basins, GIEMS and SWAMPS have very high water surface time series correlations (95% and 99%, respectively), but SWAMPS maximum water extent is just a half of what observed from GIEMS and SAR estimates. SWAMPS fails to capture surface water dynamics over the Niger basin since its surface water seasonality is out of phase with both GIEMS- and MODIS-derived water extent estimates, as well as with in situ river discharge data.

Thèse doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2003. Thèse doctorat : Génie civil : Université Ibnou Zohr d'Agadir : 2003. / Thèse en cotutelle. N° d'ordre (Lille 1) : 3434. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 128-139.