Cette thèse a comme objectif d’estimer la variabilité régionale présente et future des trihalométhanes (THM) dans les systèmes d’approvisionnement en eau potable (SAEP) desservis en eau de surface à l’aide de modèles multiniveau. La variabilité régionale des THM a été étudiée à l’aide d’une importante base de données développée dans le cadre de cette thèse et concernant les résultats réglementaires de la qualité de l’eau potable, les infrastructures de traitement, la qualité de l’eau de surface et plusieurs paramètres spatio-temporels pouvant influencer la qualité de la source d’eau (Chapitre 2). Les modèles de régression multiniveaux permettent de considérer la structure hiérarchique des données et ainsi d’étudier la variabilité des échantillons de THM tout en contrôlant pour le regroupement des concentrations de THM entre les SAEP et entre les divisions écologiques du territoire. Dans un premier temps, des modèles de régression linéaire multiniveaux ont été développés pour estimer la variabilité régionale et temporelle d’un indicateur des précurseurs des THM, soit le carbone organique dissous (COD) (Chapitre 3). En utilisant les connaissances acquises lors de cette étude et à l’aide de modèles de régression logistique multiniveaux, nous avons ensuite développé un modèle permettant d’estimer la variabilité régionale de la probabilité que les concentrations de THM dans l’eau potable dépassent un seuil spécifique (Chapitre 4). Ce modèle de régression fut ensuite utilisé afin d’estimer l’impact possible des changements climatiques sur la variabilité régionale future de la probabilité que les concentrations de THM dans l’eau potable dépassent ce même seuil (Chapitre 5). Les modèles de régression multiniveaux ont été très peu utilisés dans le domaine de la modélisation de la qualité de l’eau potable. Or, les résultats de cette thèse ont démontré qu’ils s’avèrent un outil très efficace pour considérer la hiérarchie naturelle des variables permettant de modéliser la qualité de l’eau potable à l’échelle régionale. La base de données développée et l’exploration méthodologique des modèles de régression multiniveaux effectuée dans les différents chapitres de cette thèse offrent une plateforme unique pour les futures études de modélisation concernant la variabilité régionale de la qualité de l’eau potable. Mots clés : eau potable, eau de surface, modèle de régression multiniveau, cadre écologique du territoire, trihalométhanes, sous-produits de la désinfection, carbone organique dissous, changements climatiques / The objective of this thesis is to estimate the present and the future regional variability of trihalomethane (THM) occurrence in drinking water utilities (DWUs) supplied by surface water using multilevel models. The regional variability of THMs was investigated using a large database developed as part of this thesis that takes into account information about regulatory drinking water quality analyses, treatment infrastructures, surface water quality, and many other spatiotemporal parameters that may influence source water quality (Chapter 2). The multilevel models allow for the consideration of the hierarchical structure of the data and the study of variability among THM samples, while controlling for the grouping of THM concentrations within DWUs and at the regional level. At first, multilevel linear regression models were developed to estimate the regional and temporal variability of an indicator of THM precursors (i.e., dissolved organic carbon – DOC) (Chapter 3). Then, using the knowledge acquired in this study and based on multilevel logistic regression models, we developed a model which allows us to estimate the regional variability in the probability of THM concentrations exceeding a specific threshold in drinking water (Chapter 4). Then, this model was used to estimate the possible impact of climate change on the future regional variability in the probability of THM concentrations exceeding the threshold (Chapter 5). Multilevel models have only rarely been used in the field of drinking water quality modelling. And yet results from this thesis demonstrate that they are quite useful in considering the natural hierarchy of variables allowing for the modelling of drinking water quality on a regional basis. The database we developed and the methodological exploration of multilevel regression models that is carried out through the chapters of this thesis offer a useful framework for future modelling studies which examine the regional variability of drinking water quality. Keywords: drinking water, surface water, multilevel regression models, regional ecological framework, trihalomethanes, disinfection by-products, dissolved organic carbon, climate change

Les infrastructures de transport est essentielle au maintien et à l'expansion des activités sociales et économiques dans les régions circumpolaires. À mesure que le climat se réchauffe, la dégradation du pergélisol sous les remblais a entraîné de graves dommages structuraux à la route, entraînant une augmentation importante des coûts d'entretien et une réduction de la durée de vie des infrastructures. Pendant ce temps, l'advection de chaleur déclenchée par les écoulements d’eau souterrains peut altérer le bilan énergétique du remblai et du pergélisol sous-jacent et modifier le régime thermique des remblais routiers. Cependant, peu de recherches ont été effectuées pour comprendre la synergie entre les processus thermiques de surface et souterrains des remblais routiers des régions froides. L'objectif de cette recherche était de comprendre les interactions thermiques entre l'atmosphère, le remblai routier, les écoulements d’eau et le pergélisol dans le contexte du changement climatique. Cette base, de connaissances est nécessaire pour la conception technique, l'entretien des routes et l'évaluation de la vulnérabilité des infrastructures. Les travaux de recherche ont permis de développer de nouvelles méthodes d'analyse thermique pour caractériser et identifier le rôle de l'advection thermique sur le changement de température d'un remblai routier expérimental au Yukon (Canada) en termes d’intensité, de vitesse et de profondeur de l'impact thermique. Les résultats montrent que l'augmentation de la température due aux flux de chaleur advectifs déclenchés par l’écoulement d'eau peut être jusqu'à deux ordres de grandeur plus rapide qu'en raison du seul réchauffement atmosphérique. La recherche a ensuite présenté un bilan énergétique de surface pour quantifier la quantité d'énergie entrant dans le centre et la pente du remblai avec des épaisseurs et des propriétés de neige variables. Le tout a été appuyé par des observations géothermique de plusieurs années et une grande quantité de données météorologiques. Les résultats illustrent que le bilan énergétique de surface est principalement contrôlé par le rayonnement net et moins par le flux de chaleur sensible. Le flux de chaleur transmis à la pente du remblai diminue de façon exponentielle avec l'augmentation de l'épaisseur de la neige et diminue de façon linéaire avec l’installation du couvert de neige et la longueur de la période d’enneigement. De plus, un modèle de bilan énergétique de surface et un modèle cryohydrologique entièrement couplé ont été développés pour étudier l'impact thermique de l'advection de chaleur associée à l'écoulement de l'eau souterraine sur le dégel du pergélisol et le développement de taliks (c.-à-d. zone perpétuellement non gelée dans les zones de pergélisol). Le modèle couplé a réussi à reproduire la tendance à la hausse du plafond du pergélisol (erreur absolue moyenne <0,2 m) au cours de la période 1997-2018. Les résultats montrent que l'advection de chaleur a fourni une source d'énergie supplémentaire pour accélérer le dégel du pergélisol et a doublé le taux d’augmentation de l’épaisseur de la couche active 0,1 m·a-1 à 0,19 m·a-1, par rapport au scénario où aucun écoulement d'eau ne se produit. Le talik s'est initialement formé et développé en fonction du temps sous l’effet combiné des écoulement d’eau, de l'isolation de la neige, de la construction de la route et du réchauffement climatique. Le débit d'eau souterraine a relié des corps isolés de talik et a amené le remblai de la route dans un état thermique irréversible, en raison de la rétroaction de l'eau liquide (effet de chaleur latente) piégée dans le talik. Ces résultats montrent l'importance de l'advection de chaleur induite par l'écoulement d'eau sur le régime thermique de la sous-couche (c.-à-d. la couche de matériau de remblai) et du sous-sol (c.-à-d. le matériau natif sous un remblai) du remblai lorsque le remblai routier intercepte le drainage local. De plus, les résultats obtenus soulignent la nécessité de coupler les processus thermiques de surface et souterrains dans le but d'évaluer la stabilité thermique des routes subarctiques. / Transportation infrastructure is crucial to maintaining and expanding the social and economic activities in circumpolar regions. As the climate warms, degradation of the permafrost causes severe structural damages to the road embankment, leading to large increases in maintenance costs and reductions in its lifespan. Meanwhile, heat advection triggered by mobile water flow can alter energy balance of the embankment and underlying permafrost and modify the thermal regime of road embankments. However, little research has been done to understand the synergy between surface and subsurface thermal processes of cold region road embankments. The overall goal of this research was to elucidate thermal interactions between the atmosphere, the road embankment, mobile water flow, and permafrost within the context of climate change. This knowledge is needed for engineered design, road maintenance, and infrastructure vulnerability assessment. The research first used new thermal analysis to characterize and identify the role of heat advection on temperature change of an experimental road embankment, Yukon, Canada in terms of magnitude, rate and thermal impact depth. It shows that soil temperature increase due to advective heat fluxes triggered by mobile water flow can be up to two orders of magnitude faster than due to atmospheric warming only. The research then presented a novel surface energy balance to quantify the amount of ground heat flux entering the embankment center and slope with varying snow depth and properties, supported by multi-year thermal and meteorological observations. My results illustrate that the surface energy budget is mainly controlled by net radiation, and less by the sensible heat flux. The ground heat flux released at embankment slope exponentially decreased with the increase of snow depth, and was linearly reduced with earlier snow cover and longer snow-covered period. A fully integrated surface energy balance and cryohydrogeological model was implemented to investigate the thermal impact of heat advection associated with subsurface water flow on permafrost thaw and talik (i.e., perennially unfrozen zone in permafrost areas) development. The integrated model successfully reproduced the observed increasing trend of the active layer depth (mean absolute error < 0.2 m) over the 1997-2018 period. The results show that heat advection provided an additional energy source to expedite permafrost thaw, doubling the increasing rate of permafrost table depth from 0.1 m·a-1 to 0.19 m·a-1, compared with the scenario where no water flow occurs. Talik formation and development occurred over time under the combined effect of subsurface water flow, snow insulation, road construction and climate warming. Subsurface water flow connected isolated talik bodies and triggered an irreversible thermal state for the road embankment, due to a local feedback mechanism (latent heat effect) of trapped, unfrozen water in talik. These findings elucidate the importance of heat advection induced by mobile water flow on the thermal regime of embankment subbase (i.e., a layer of fill material) and subgrade (i.e., the native material under an embankment) when the road embankment intercepts the local drainage. Furthermore, the obtained results emphasize the need to couple surface and subsurface thermal processes to evaluate the thermal stability of sub-Arctic roads.

Cette thèse, qui s'inscrit dans le cadre d’études internationales, traite de la structure gouvernementale multi-niveaux de la gestion des ressources en eau de surface. À partir d’une approche interdisciplinaire, conciliant la géographie et la science politique, cette recherche porte sur la gouvernance des eaux de surface à l’échelle du bassin versant du Rio Grande/Río Bravo entre les États-Unis et le Mexique, et sur la territorialisation des divers gouvernements qui répondent de façon fragmentée aux besoins en termes de durabilité. La thèse s’articule autour de la question de recherche suivante : la gouvernance des eaux de surface du Rio Grande/Río Bravo s’effectue-t-elle selon les principes du développement durable ? Notre cas d’étude démontre l’existence d'un cadre de gouvernance multi-niveaux des ressources en eau à l’échelle du bassin versant. Il souligne la désarticulation entre les échelles locale, régionale, étatique et fédérale en raison de la fragmentation territoriale. Les préoccupations en matière de développement durable sont spécifiques à chaque région partitionnée par l’aménagement hydraulique. Des entrevues effectuées sur le terrain, avec des acteurs du bassin du Rio Grande et du Río Bravo, témoignent du découpage territorial et de la fragmentation dans la gestion des ressources en eau. La gouvernance du bassin versant consiste en une diversité de gouvernements et d’acteurs de la gestion de la ressource dans un cadre institutionnel résistant au changement. Nous montrons que les enjeux de pouvoir sur le territoire vis-à-vis de l’accès à la ressource, sa disponibilité et son contrôle, et les représentations géopolitiques que les acteurs s’en font, affectent la coordination d’activités à l’échelle du bassin versant. Les résultats attestent que le bassin versant n’est pas reconnu comme espace de gestion des ressources en eau et unité appropriée pour la durabilité. Le cadre institutionnel du partage de la ressource et l’aménagement hydraulique renforcent l’organisation du bassin en un ensemble hétérogène de sous-bassins qui gèrent la ressource à différentes échelles. Chaque gouvernement déploie des stratégies ad hoc pour faire face aux problèmes environnementaux, sans que le développement durable ne représente une préoccupation commune pour les acteurs du bassin versant. Dans un contexte de gouvernance multi-niveaux et de problèmes environnementaux liés au phénomène de la sécheresse, la collaboration entre les États-Unis et le Mexique est affaiblie par des tensions transfrontalières qui portent atteinte à la confiance mutuelle. Mots-clés: Gouvernance multi-niveaux, développement durable, gestion des ressources en eau, fragmentation, découpage territorial, asymétries de pouvoir, bassin versant du Rio Grande/Río Bravo, sous-bassins, États-Unis, Mexique. / This dissertation, which falls within international studies, discusses the multi-level governmental structure of surface water resources management. From an interdisciplinary approach, reconciling geography and political science, this research focuses on the governance of surface waters across the scale of the Rio Grande/Río Bravo Watershed between the United States and Mexico and on the territorialization of various governments that respond in a fragmented manner to the needs in terms of sustainability. This dissertation is organized around one main research question: is the governance of surface waters of the Rio Grande/Río Bravo carried out according to the principles of sustainable development? Our case study demonstrates the existence of a framework of multi-level governance of surface water resources across the watershed. It stresses the disarticulation between the local, regional, state and federal scale due to territorial fragmentation. The concerns of sustainable development are specific to each region, as partitioned by the hydraulic development. Interviews conducted in the field with actors from the Rio Grande basin and the Río Bravo basin reflect the territorial division and the fragmentation in the management of water resources. Governance consists in a diversity of actors involved in the resource management within an institutional framework resistant to change. We show that power imbalances over the territory — regarding access to the resource, its availability and its control, and the geopolitical representations held by stakeholders — affect the coordination of activities across the watershed. The results demonstrate that the watershed is not recognized as the spatial unit for water resource management and sustainability. The institutional framework for resource sharing and the hydraulic development reinforce the basin organization into a heterogeneous set of sub-basins managing the resource at different scales. Each government deploys ad hoc strategies to deal with environmental problems, without sustainable development being a common concern for stakeholders on the watershed. In a context of multi-level governance and environmental problems related to the phenomenon of drought, the collaboration between the United States and Mexico is weakened by cross-border tensions that undermine mutual trust. Keywords: Multi-level governance, sustainable development, management of water resources, fragmentation, territorial breakdown, power imbalances, Rio Grande/Río Bravo Watershed, sub-basins, United States, Mexico.