L’objectif général de cette thèse est de caractériser la dynamique des transferts des bactéries fécales à l’aide d’une modélisation spatio-temporelle, à l’échelle du bassin versant (BV) dans une région agricole et à l’échelle événementielle. Ce projet vise à mieux comprendre l'influence des processus hydrologiques, les facteurs environnementaux et temporels impliqués dans l’explication des épisodes de contamination microbienne des eaux récréatives. Premièrement, un modèle bayésien hiérarchique a été développé pour quantifier et cartographier les niveaux de probabilité des eaux à être contaminées par des effluents agricoles, sur la base des données spectrales et des variables géomorphologiques. Par cette méthode, nous avons pu calculer les relations pondérées entre les concentrations d’Escherichia coli et la distribution de l’ensemble des paramètres agro-pédo-climatiques qui régissent sa propagation. Les résultats ont montré que le modèle bayésien développé peut être utilisé en mode prédictif de la contamination microbienne des eaux récréatives. Ce modèle avec un taux de succès de 71 % a mis en évidence le rôle significatif joué par la pluie qui est la cause principale du transport des polluants. Deuxièmement, le modèle bayésien a fait l’objet d'une analyse de sensibilité liée aux paramètres spatiaux, en utilisant les indices de Sobol. Cette démarche a permis (i) la quantification des incertitudes sur les variables pédologiques, d’occupation du sol et de la distance et (2) la propagation de ces incertitudes dans le modèle probabiliste c'est-à-dire le calcul de l’erreur induite dans la sortie par les incertitudes des entrées spatiales. Enfin, une analyse de sensibilité des simulations aux différentes sources d’incertitude a été effectuée pour évaluer la contribution de chaque facteur sur l’incertitude globale en prenant en compte leurs interactions. Il apparaît que sur l’ensemble des scénarios, l’incertitude de la contamination microbienne dépend directement de la variabilité des sols argileux. Les indices de premier ordre de l’analyse de Sobol ont montré que parmi les facteurs les plus susceptibles d’influer la contamination microbienne, la superficie des zones agricoles est le premier facteur important dans l'évaluation du taux de coliformes. C’est donc sur ce paramètre que l’attention devra se porter dans le contexte de prévision d'une contamination microbienne. Ensuite, la deuxième variable la plus importante est la zone urbaine avec des parts de sensibilité d’environ 30 %. Par ailleurs, les estimations des indices totaux sont meilleures que celles des indices de premier ordre, ce qui signifie que l’impact des interactions paramétriques est nettement significatif pour la modélisation de la contamination microbienne Enfin, troisièmement, nous proposons de mettre en œuvre une modélisation de la variabilité temporelle de la contamination microbiologique du bassin versant du lac Massawippi, à partir du modèle AVSWAT. Il s'agit d'une modélisation couplant les composantes temporelles et spatiales qui caractérisent la dynamique des coliformes. La synthèse des principaux résultats démontrent que les concentrations de coliformes dans différents sous-bassins versants se révèlent influencées par l’intensité de pluie. La recherche a également permis de conclure que les meilleures performances en calage sont obtenues au niveau de l'optimisation multi-objective. Les résultats de ces travaux ouvrent des perspectives encourageantes sur le plan opérationnel en fournissant une compréhension globale de la dynamique de la contamination microbienne des eaux de surface. / Abstract : The aim of this study was to predict water faecal contamination from a bayesian probabilistic model, on a watershed scale in a farming area and on a factual scale. This project aims to better understand the influence of hydrological, environmental and temporal factors involved in the explanation of microbial contamination episodes of recreational waters. First, a bayesian probabilistic model: Weight of Evidence was developed to identify and map the probability of water levels to be contaminated by agricultural effluents, on the basis of spectrals data and geomorphologic variables. By this method, we were able to calculate weighted relationships between concentrations of Escherichia coli and distribution of key agronomic, pedologic and climatic parameters that influence the spread of these microorganisms. The results showed that the Bayesian model that was developed can be used as a prediction of microbial contamination of recreational waters. This model, with a success rate of 71%, highlighted the significant role played by the rain, which is the main cause of pollution transport. Secondly, the Bayesian probabilistic model has been the subject of a sensitivity analysis related to spatial parameters, using Sobol indications. This allowed (1) quantification of uncertainties on soil variables, land use and distance and (2) the spread of these uncertainties in the probabilistic model that is to say, the calculation of induced error in the output by the uncertainties of spatial inputs. Lastly, simulation sensitivity analysis to the various sources of uncertainty was performed to assess the contribution of each factor on the overall uncertainty taking into account their interactions. It appears that of all the scenarios, the uncertainty of the microbial contamination is directly dependent on the variability of clay soils. Sobol prime indications analysis showed that among the most likely to influence the microbial factors, the area of farmland is the first important factor in assessing the coliforms. Importance must be given on this parameter in the context of preparation for microbial contamination. Then, the second most important variable is the urban area with sensitivity shares of approximately 30%. Furthermore, estimates of the total indications are better than those of the first order, which means that the impact of parametric interaction is clearly significant for the modeling of microbial contamination. Thirdly, we propose to implement a temporal variability model of microbiological contamination on the watershed of Lake Massawippi, based on the AVSWAT model. This is a model that couples the temporal and spatial components that characterize the dynamics of coliforms. The synthesis of the main results shows that concentrations of Escherichia coli in different sub-watersheds are influenced by rain intensity. Research also concluded that best performance is obtained by multi-objective optimization. The results of these studies show the prospective of operationally providing a comprehensive understanding of the dynamics of microbial contamination of surface water.

La pollution microbienne des eaux récréatives peut engendrer un risque pour la santé des populations exposées. La contamination fécale de ces eaux représente une composante importante de ce risque, notamment par la présence possible d’agents pathogènes et par l’exposition à des micro-organismes résistants aux antimicrobiens. Les sources de pollution fécale sont multiples et incluent entre autres les activités agricoles et les productions animales. Ce projet visait donc à mieux comprendre les facteurs influençant la qualité microbiologique des eaux récréatives du Québec méridional, en ciblant le rôle possible des activités agricoles, ainsi qu`à proposer et évaluer de nouvelles sources de données pouvant contribuer à l’identification de ces facteurs. Dans un premier temps, une évaluation de la présence d’Escherichia coli résistants aux antimicrobiens dans les eaux récréatives à l’étude a été effectuée. À la lumière des résultats de cette première étude, ces eaux représenteraient une source de micro-organismes résistants aux antimicrobiens pour les personnes pratiquant des activités aquatiques, mais l’impact en santé publique d’une telle exposition demeure à déterminer. Les déterminants agroenvironnementaux associés à la présence de micro-organismes résistants aux antimicrobiens ont par la suite été explorés. Les résultats de ce chapitre suggèrent que les activités agricoles, et plus spécifiquement l’épandage de fumier liquide, seraient reliées à la contamination des eaux récréatives par des bactéries résistantes aux antimicrobiens. Le chapitre suivant visait à identifier des déterminants agroenvironnementaux temps-indépendants d’importance associés à la contamination fécale des eaux à l’étude. Différentes variables, regroupées en trois classes (activités agricoles, humaines et caractéristiques géohydrologiques), ont été explorées à travers un modèle de régression logistique multivarié. Il en est ressorti que les eaux récréatives ayant des sites de productions de ruminants à proximité, et en particulier à l’intérieur d’un rayon de 2 km, possédaient un risque plus élevé de contamination fécale. Une association positive a également été notée entre le niveau de contamination fécale et le fait que les plages soient situées à l’intérieur d’une zone urbaine. Cette composante nous permet donc de conclure qu’en regard à la santé publique, les eaux récréatives pourraient être contaminées par des sources de pollution fécale tant animales qu’humaines, et que celles-ci pourraient représenter un risque pour la santé des utilisateurs. Pour terminer, un modèle de régression logistique construit à l’aide de données issues de la télédétection et mettant en association un groupe de déterminants agroenvironnementaux et la contamination fécale des eaux récréatives a été mis au point. Ce chapitre visait à évaluer l’utilité de telles données dans l’identification de ces déterminants, de même qu`à discuter des avantages et contraintes associées à leur emploi dans le contexte de la surveillance de la qualité microbiologique des eaux récréatives. À travers cette étude, des associations positives ont été mises en évidence entre le niveau de contamination fécale des eaux et la superficie des terres agricoles adjacentes, de même qu’avec la présence de surfaces imperméables. Les données issues des images d’observation de la Terre pourraient donc constituer une valeur ajoutée pour les programmes de suivi de la qualité microbiologique de ces eaux en permettant une surveillance des déterminants y étant associés. / Microbial pollution of recreational waters may constitute a health risk for exposed populations. Fecal contamination of these waters represents an important component of this risk, especially due to the possible presence of pathogens and exposure to antimicrobial resistant microorganisms. Sources of fecal pollution are many and include agricultural activities and animal production. This project aims to better understand agroenvironmental factors influencing the microbiological quality of recreational waters of Southern Quebec and also suggests and assesses new sources of data which may contribute to the identification of these factors. An evaluation of the presence of antimicrobial resistant Escherichia coli in the recreational waters studied was first performed. Given the positive results found, certain bodies of waters may represent a source of antimicrobial resistant microorganisms for people engaged in water activities. However the public health impact of such exposure is still unknown. Agroenvironmental determinants associated with the presence of antimicrobial resistant microorganisms were investigated. Results of this chapter suggest that agricultural activities, especially liquid manure spreading, may be associated with the contamination of recreational waters with antimicrobial resistant microorganisms. The next chapter assesses key time-independent agroenvironmental determinants associated with the fecal contamination of studied recreational waters. Various variables – classified as either agricultural activities, human activities or geo-hydrological characteristics – are explored through a multivariate logistic regression model. It appears that recreational waters with ruminant productions in their proximal environment, especially when they are within a radius of 2 km, may present a higher risk of fecal contamination. A positive association was also noticed between the level of fecal contamination of a beach and its presence in an urban area. From a public health perspective, recreational waters may be contaminated by animal and human sources and these sources may represent a risk for bathers’ health. Finally, association between fecal contamination of recreational waters and agroenvironment determinants was studied through a logistic regression model built from remote sensing data. This chapter assesses the utility of such data in the identification of these determinants and discusses the strengths and the limitations of their use in the context of the monitoring of the microbiological quality of recreational waters. In this study, positive associations were found between the level of fecal contamination and both the proximity of agricultural lands and the presence of impervious surfaces. Earth observation data may constitute an added value for the water quality monitoring program in allowing the surveillance of the determinants associated with this quality.

La pollution microbienne des eaux récréatives peut engendrer un risque pour la santé des populations exposées. La contamination fécale de ces eaux représente une composante importante de ce risque, notamment par la présence possible d’agents pathogènes et par l’exposition à des micro-organismes résistants aux antimicrobiens. Les sources de pollution fécale sont multiples et incluent entre autres les activités agricoles et les productions animales. Ce projet visait donc à mieux comprendre les facteurs influençant la qualité microbiologique des eaux récréatives du Québec méridional, en ciblant le rôle possible des activités agricoles, ainsi qu`à proposer et évaluer de nouvelles sources de données pouvant contribuer à l’identification de ces facteurs. Dans un premier temps, une évaluation de la présence d’Escherichia coli résistants aux antimicrobiens dans les eaux récréatives à l’étude a été effectuée. À la lumière des résultats de cette première étude, ces eaux représenteraient une source de micro-organismes résistants aux antimicrobiens pour les personnes pratiquant des activités aquatiques, mais l’impact en santé publique d’une telle exposition demeure à déterminer. Les déterminants agroenvironnementaux associés à la présence de micro-organismes résistants aux antimicrobiens ont par la suite été explorés. Les résultats de ce chapitre suggèrent que les activités agricoles, et plus spécifiquement l’épandage de fumier liquide, seraient reliées à la contamination des eaux récréatives par des bactéries résistantes aux antimicrobiens. Le chapitre suivant visait à identifier des déterminants agroenvironnementaux temps-indépendants d’importance associés à la contamination fécale des eaux à l’étude. Différentes variables, regroupées en trois classes (activités agricoles, humaines et caractéristiques géohydrologiques), ont été explorées à travers un modèle de régression logistique multivarié. Il en est ressorti que les eaux récréatives ayant des sites de productions de ruminants à proximité, et en particulier à l’intérieur d’un rayon de 2 km, possédaient un risque plus élevé de contamination fécale. Une association positive a également été notée entre le niveau de contamination fécale et le fait que les plages soient situées à l’intérieur d’une zone urbaine. Cette composante nous permet donc de conclure qu’en regard à la santé publique, les eaux récréatives pourraient être contaminées par des sources de pollution fécale tant animales qu’humaines, et que celles-ci pourraient représenter un risque pour la santé des utilisateurs. Pour terminer, un modèle de régression logistique construit à l’aide de données issues de la télédétection et mettant en association un groupe de déterminants agroenvironnementaux et la contamination fécale des eaux récréatives a été mis au point. Ce chapitre visait à évaluer l’utilité de telles données dans l’identification de ces déterminants, de même qu`à discuter des avantages et contraintes associées à leur emploi dans le contexte de la surveillance de la qualité microbiologique des eaux récréatives. À travers cette étude, des associations positives ont été mises en évidence entre le niveau de contamination fécale des eaux et la superficie des terres agricoles adjacentes, de même qu’avec la présence de surfaces imperméables. Les données issues des images d’observation de la Terre pourraient donc constituer une valeur ajoutée pour les programmes de suivi de la qualité microbiologique de ces eaux en permettant une surveillance des déterminants y étant associés. / Microbial pollution of recreational waters may constitute a health risk for exposed populations. Fecal contamination of these waters represents an important component of this risk, especially due to the possible presence of pathogens and exposure to antimicrobial resistant microorganisms. Sources of fecal pollution are many and include agricultural activities and animal production. This project aims to better understand agroenvironmental factors influencing the microbiological quality of recreational waters of Southern Quebec and also suggests and assesses new sources of data which may contribute to the identification of these factors. An evaluation of the presence of antimicrobial resistant Escherichia coli in the recreational waters studied was first performed. Given the positive results found, certain bodies of waters may represent a source of antimicrobial resistant microorganisms for people engaged in water activities. However the public health impact of such exposure is still unknown. Agroenvironmental determinants associated with the presence of antimicrobial resistant microorganisms were investigated. Results of this chapter suggest that agricultural activities, especially liquid manure spreading, may be associated with the contamination of recreational waters with antimicrobial resistant microorganisms. The next chapter assesses key time-independent agroenvironmental determinants associated with the fecal contamination of studied recreational waters. Various variables – classified as either agricultural activities, human activities or geo-hydrological characteristics – are explored through a multivariate logistic regression model. It appears that recreational waters with ruminant productions in their proximal environment, especially when they are within a radius of 2 km, may present a higher risk of fecal contamination. A positive association was also noticed between the level of fecal contamination of a beach and its presence in an urban area. From a public health perspective, recreational waters may be contaminated by animal and human sources and these sources may represent a risk for bathers’ health. Finally, association between fecal contamination of recreational waters and agroenvironment determinants was studied through a logistic regression model built from remote sensing data. This chapter assesses the utility of such data in the identification of these determinants and discusses the strengths and the limitations of their use in the context of the monitoring of the microbiological quality of recreational waters. In this study, positive associations were found between the level of fecal contamination and both the proximity of agricultural lands and the presence of impervious surfaces. Earth observation data may constitute an added value for the water quality monitoring program in allowing the surveillance of the determinants associated with this quality.