Les ressources en eau du Liban sont soumises à une pression croissante due au développement économique, à la croissance démographique, à la gestion non-durable des ressources en eau et au changement climatique. Les montagnes du Mont et Anti-Liban sont des châteaux d'eau naturels pour le Liban car elles augmentent les précipitations par le soulèvement orographique des masses d'air. En raison de l'influence du climat méditerranéen, la plupart des précipitations au-dessus de 1200 m a.s.l. tombe sous la forme de neige en hiver. Par conséquent, la fonte des neiges contribue de façon importante au bilan hydrique national. En particulier, la fonte des neiges du Mont-Liban alimente les réseaux d'eau souterraine karstiques, qui fournissent des ressources en eau essentielle pour la région côtière. Malgré l'importance du manteau neigeux au Liban, sa variabilité spatiale et temporelle est insuffisament observée si bien que sa contribution au débit des fleuve et des sources reste méconnue. L'objectif de ce travail est de réduire ce manque de connaissance en utilisant des mesures in situ, des observations satellite et de la modélisation du manteau neigeux. 1. Nous présentons d'abord une revue de la littérature sur les processus nivo- hydrologiques dans les régions montagneuses méditerranéennes. De nombreuses études - principalement aux Etats-Unis de l'Ouest et dans les montagnes au sud de l'Europe - soulignent l'impact fort de la variabilité interannuelle du climat méditerranéen sur la dynamique du manteau neigeux. Le rayonnement solaire élevé est un facteur important du bilan énergétique du manteau neigeux, mais la contribution des flux de chaleur est plus forte à la fin de la saison nivale. La sublimation de la neige et la densification rapide sont des processus importants dans ce contexte. Les approches hybrides combinant des données de stations météorologiques et la télédétection optique de la surface enneigée à travers la modélisation sont recommandées pour compenser l'absence d'observations spatialisées du forçage météorologique. 2. Ensuite, nous présentons un ensemble original de données sur le manteau neigeux au Mont-Liban pour la période 2013-2016. Nous avons recueilli des observations sur le terrain de la hauteur de neige (HS), de l'équivalent en eau de neige (SWE) et de la densité de neige entre 1300 et 2900 m d'altitude sur le flanc occidental du Mont-Liban. De plus, des données météorologiques continues ont été acquises par trois stations météorologiques automatiques situées dans la partie enneigée du Mont-Liban. Le produit MODIS a été utilisé pour calculer la superficie couverte par la neige dans trois bassins hydrographiques couverts par les observations in situ. Nous remarquons la grande variabilité de HS et SWE et une densité élevée du manteau neigeux. Nous trouvons une corrélation significative entre HS et SWE qui peut être utile pour réduire la quantité de travail de terrain en vue d'un suivi opérationnel futur. 3. Grâce à ces données, nous avons mis en place un modèle distribué du manteau neigeux sur le Mont-Liban à une résolution de 100 m. Le modèle est validé à différentes échelles en utilisant les observations de SWE, densité, HS et SCA. Une simulation avec des modifications très limitées du paramétrage par défaut permet de capturer correctement la plupart des observations. Cette simulation permet donc d'estimer l'évolution du SWE et la fonte dans les trois bassins étudiés entre 2013 et 2016. Cette recherche a mis en évidence l'importance de réaliser simultanément des mesures sur le terrain et des observations météorologiques continues pour mieux appréhender les processus physiques qui contrôlent l'évolution du manteau neigeux sur le Mont-Liban. Enfin, l'influence du transport de la neige par le vent et des dépôts de poussière sur la fonte des neiges reste à évaluer en perspective de ce travail. / Lebanon's water resources are under increasing pressure due to economic development, demographic growth, unsustainable water resource management, and climate change. The Mount- and Anti-Lebanon Mountains are natural water towers for Lebanon as they play an important role in enhancing orographic precipitation. Due to the influence of the Mediterranean climate, most precipitation above 1200 m a.s.l. falls as snow during winter season. As a result, snowmelt is an important contributor to the national water balance. In particular, snowmelt from Mount-Lebanon feeds the karst groundwater systems, which provide key water resources to the coastal region. Despite the importance of the snow cover in the Lebanese mountains, the actual snowpack spatial and temporal variability and its contribution to the spring and river discharges in Lebanon remains poorly constrained. The objective of this work is to reduce this lack of knowledge using a combination of in situ measurements, remote sensing observations and modelling of the snowpack in Mount-Lebanon. 1. We first present an extensive review of the literature about the snow hydrological processes in Mediterranean-like mountain regions. Many studies - mainly from Western USA and Southern Europe mountains - emphasize the strong impact of the interannual Mediterranean climate variability on the snowpack dynamics. The high incoming solar radiation is an important driver of the snowpack energy balance, but the contribution of heat fluxes is stronger at the end of the snow season. Snow sublimation and rapid densification are important processes to consider. Hybrid approaches combining weather station data with optical remote sensing of the snow extent through modelling are recommended to tackle the lack of spatially-distributed observations of the meteorological forcing. 2. Then, we introduce an original dataset on the snow cover in Mount-Lebanon for the period 2013-2016. We collected field observations of the snow height (HS), snow water equivalent (SWE), and snow density between 1300 and 2900 m a.s.l. in the western slope of Mount-Lebanon. In addition, continuous meteorological data were acquired by three automatic weather stations located in the snow dominated region of Mount-Lebanon. The MODIS snow product was used to compute the daily snow cover area in three snow dominated basins. We find that HS and SWE have large variances and that snow density is high. The strong correlation between HS and SWE may be useful to reduce the amount of field work for future operational monitoring. 3. Using these data we set up a distributed snowpack energy balance in the Mount- Lebanon at 100 m resolution. The model is validated at different scales using the observed SWE, snow density, HS and SCA. A simulation with very limited adjustments to the default parameterization is found to correctly capture most of the observations. This simulation allows the estimation of the SWE evolution and snow melt in the three study basins between 2013 and 2016. This research highlighted the importance of conducting simultaneous field surveys and meteorological observations to gain insights into the physical processes driving snowpack evolution in Mount-Lebanon. Finally, the influence of snow erosion by wind and the influence of dust deposits on snowmelt, remains less known, and are warrant for future research.

Le concept d'intégration dans la gestion intégrée de l'eau par bassin versant (GIEBV) a été sélectionné pour décloisonner les différentes approches et mieux protéger les ressources en eau dans une optique de développement durable. Ce processus intégré, caractérisé par la transversalité de nombreux enjeux, est complexe. L'évaluation des politiques publiques rattachée à ce type de gestion, l'est tout autant. Au-delà des avancées réalisées dans les dernières décennies, plusieurs problématiques freinent toujours l'intégration de la GIEBV au Québec. Divers ouvrages scientifiques québécois ont abordé divers thèmes et solutions pour la GIEBV. À travers notre démarche, plusieurs de ces analyses ont été sélectionnées et structurées autour de quatre types d'intégration (verticale, de la connaissance, participative, territoriale). Cette approche a permis d'identifier certains enjeux fondamentaux de la GIEBV et de mettre en relation diverses recommandations sous forme de synthèse afin d'évaluer la Politique nationale de l'eau (PNE) de 2002. Dans une optique de responsabilisation des acteurs de l'eau, ces pistes de solutions peuvent bonifier l'approche de la nouvelle Stratégie québécoise de l'eau (2018-2032) et ainsi renforcer le caractère intégré de la GIEBV au Québec. Nos résultats amènent à voir que, malgré les efforts des 15 dernières années, l'intégration pour la GIEBV n'est pas suffisamment effective. Bien qu'une évolution plus marquée soit observée pour l'intégration participative, certaines avenues devraient toutefois être davantage considérées pour ce type d'intégration comme celles d'acteurs plus responsabilisés œuvrant dans une dynamique plus collaborative et une clarification du rôle des organismes de bassins versants (OBV). Pour sa part, l'intégration verticale serait plus efficace par une décentralisation des responsabilités vers le palier régional, une législation révisée afin d'assurer une plus grande concordance entre ministères et secteurs d'activités ainsi que par la mise en place d'un système de redevance diversifié. Pour l'intégration de la connaissance, les différents types de savoirs (scientifiques, locaux, experts) devraient être mieux valorisés dans toutes les étapes du processus de la GIEBV. Pour l'intégration territoriale, l'échelle du bassin versant devrait être davantage considérée comme la plus pertinente pour la planification territoriale et pour articuler davantage la réalité des sous-bassins versants en matière de GIEBV jusqu'aux différents ministères.

La décentralisation en Haïti facilite-t-elle le développement local? L'examen de la situation haïtienne fait ressortir les enjeux et les difficultés d'une maitrise décentralisée des actions publiques et des programmes de développement en particulier dans le secteur de l'eau potable. La gouvernance locale qui en résulte peine à favoriser la mobilisation des acteurs locaux et de la population. Mots clés : Décentralisation, développement local, gouvernance de l’eau potable. / In Haiti does the decentralization encourage the local development? Studies of the Haitian context explain the stake and difficulties of a perfect decentralize control of public act and development program especially in the drinking water section. In this situation the local management is not able to put together the local actors of the population. Keywords: Decentralization, local development, governance of drinking water.

Cette étude de cas menée au Marché public de Longueuil avait pour objectif d’évaluer la performance hydraulique et l’efficacité épuratoire de PGOs installés en série dans un climat nordique comme au Québec. Pour ce faire, un protocole de suivi quantitatif et qualitatif a été développé pour étudier deux chaînes de traitement: une chaîne constituée d’une tranchée drainante, d’un bassin sec et d’un bassin avec retenue permanente et une seconde constituée de biorétentions et d’un bassin avec retenue permanente. Le suivi quantitatif des eaux pluviales a démontré l’efficacité des PGOs à retenir les eaux de ruissellement. Les biorétentions permettent de réduire, en moyenne, les volumes et les débits de pointe de 70 % et 94 % respectivement. Les résultats ont également démontré que la tranchée drainante, le bassin sec et le bassin avec retenue permanente permettent, en moyenne, un décalage des débits respectifs de 30 minutes, 10 minutes et d’un peu plus d’une heure. Combinées, les PGOs permettent le décalage des débits de près de deux heures, ce qui est souhaité. Les campagnes d’échantillonnage ont montré des résultats favorables pour l’enlèvement des matières en suspension et des matières organiques au niveau de la tranchée drainante et des cellules de biorétention. En effet, des taux moyens d’enlèvement de matières en suspension de 79 % et 84 % ont respectivement été obtenus pour ces deux PGOs. Toutefois, pour les cellules de biorétention un relargage de phosphore a, à l’occasion, été observé. Il s’est avéré que le bassin sec relargue également le phosphore, mais aussi des matières en suspension. Par contre, l’ajout du bassin à retenue permanente à l’aval permet de contrôler ce relargage en effectuant un traitement supplémentaire. L’aménagement d’une PGO ayant pour fonction de traiter les eaux est donc un choix judicieux pour pallier le relâchement des contaminants de celle à l’amont. À la lumière des de ces résultats, l’emploi de chaînes de traitement est donc avantageux comparativement à l’utilisation de PGOs seules.

Ce mémoire analyse la problématique des ressources naturelles dans la péréquation. En effet, ce programme, sujet d'actualité, présente plusieurs défaillances et les ressources naturelles en sont la cause majeure. Pour faire face à ces lacunes, le gouvernement fédéral a lancé un examen approfondi de la péréquation et il a adopté, en 2007, un nouveau cadre de péréquation. Dans ce contexte, nous avons présenté la problématique des ressources naturelles avec l'ancienne formule et analysé les modifications apportées selon le nouveau cadre de péréquation. Pour valider ces propos, nous avons pris les nouvelles ressources hydrauliques comme cas d'étude. En fait, le Québec a instauré, en 2007, ces nouvelles redevances hydrauliques appliquées à Hydro-Québec pour alimenter le Fonds des générations du Québec. Les résultats montrent que ces dernières ont diminué les transferts en péréquation reçus par Québec de 123 millions de dollars (16 $ par habitant). Cet impact est la résultante d'un effet direct traduit par une baisse de 23 $ par habitant amorti environ à 30 % par des effets indirects de 7 $ par habitant. En effet, l'augmentation de 567 millions de dollars des redevances hydrauliques reçus par le Québec a donné un effet de récupération de 45 millions de dollars. Ce constat souligne l'inefficacité du système dans le traitement des ressources naturelles et sa faiblesse à réaliser la neutralité des politiques publiques. Cette neutralité désigne qu'une province ne peut pas optimiser avec des effets de récupération ses droits à la péréquation par sa politique d'imposition. Par contre, les résultats soulignent que la nouvelle formule réalise plus de stabilité et de neutralité. En effet, introduire les redevances hydrauliques dans les deux ans précédents l'exercice ne donne aucun effet sur le calcul de péréquation. Par contre, appliquer ces redevances 3 et 4 ans avant l'exercice implique une baisse des droits de péréquation du Québec respectivement de 50 % et 25 % moins important que l'ancienne formule. Les nouvelles redevances hydrauliques sont plus avantageuses pour le Québec et toutes les autres provinces selon la nouvelle que l'ancienne formule.

Au cours des dernières années, le territoire québécois a connu des inondations importantes, qui sont venues mettre en évidence les effets des changements climatiques de même que l'impératif de les anticiper. Or, jusqu'à maintenant, le cadre institutionnel, notamment en matière d'aménagement du territoire, encourage plutôt des réponses réactives aux aléas. L'intégration des changements climatiques et la prévision de leurs impacts dans la prise de décision des politiques sont pourtant déterminantes de la résilience des milieux. Les défis de la gestion de l'eau s'illustraient dans ce mémoire, à travers la gestion du barrage Jules-Allard situé à l'embouchure du Grand Lac Saint-François, un des plus grands lacs au Québec méridional. Les nombreux usages du lac sont fortement liés à la gestion des niveaux d'eau par le barrage et entrainent plusieurs problématiques sociales, économiques et environnementales. Les inondations récurrentes en amont et en aval du barrage, l'érosion des rives, la baisse de la qualité de l'eau, la gestion des quais pour les bateaux de plaisance, l'implantation de plantes exotiques envahissantes à relever. Ce travail de recherche appuyé par un sondage auprès des acteurs du milieu dont l'organisme de bassin versant, les associations de riverains, le gestionnaire du barrage et les instances municipales ont révélé que certaines problématiques étaient le fait d'un décalage entre les connaissances issues de l'expérience individuelle et celles provenant de la science ou encore des lois et des normes associées. Un ajustement dans le plan de gestion du barrage soutenu par des changements dans les pratiques d'aménagements en matière de protection des rives, de préservation des milieux humides, un resserrement des normes de rejets d'eaux usées agricoles et municipales permettraient d'atténuer certaines problématiques. Une uniformisation des politiques municipales à l'échelle du bassin versant du Grand Lac Saint-François et une meilleure prise en compte du rôle de l'organisme de bassin versant dans la gouvernance de l'eau seraient une avenue pertinente à l'adaptation des communautés locales aux changements climatiques. / In recent years, Quebec has experienced major floods, which have highlighted the effects of climate change and the need to anticipate them. However, until now, the institutional framework, particularly in terms of land use planning, has encouraged reactive responses to hazards. The integration of climate change and the forecasting of its impacts in policy-making is, however, a determining factor in the resilience of environments. The challenges of water management were illustrated in this paper through the management of the Jules-Allard dam located at the mouth of Grand Lac Saint-François, one of the largest lakes in southern Quebec. The numerous uses of the lake are strongly linked to the management of water levels by the dam and lead to several social, economic and environmental problems. Recurrent flooding upstream and downstream of the dam, shoreline erosion, declining water quality, dock management for recreational boats, and the establishment of invasive exotic plants are some of the issues that need to be addressed. This research work, supported by a survey of stakeholders, including the watershed organization, riparian associations, the dam manager and municipal authorities, revealed that certain problems were the result of a discrepancy between knowledge from individual experience and knowledge from science or from laws and associated standards. Adjustments to the dam management plan, supported by changes in shoreline protection and wetland preservation practices, and stricter standards for agricultural and municipal waste water discharges would alleviate some of the issues. Standardization of municipal policies throughout the Grand Lac Saint-François watershed and greater consideration of the role of the watershed organization in water governance would be a relevant way for adapting local communities to climate change.

La gestion intégrée de l’eau souterraine constitue un défi majeur pour les activités industrielles, agricoles et domestiques. Dans certains systèmes agricoles, une gestion optimisée de la nappe phréatique représente un facteur important pour améliorer les rendements des cultures et l’utilisation de l'eau. La prévision de la profondeur de la nappe phréatique (PNP) devient l’une des stratégies utiles pour planifier et gérer en temps réel l’eau souterraine. Cette étude propose une approche de modélisation basée sur les arbres de décision pour prédire la PNP en fonction des précipitations, des précédentes PNP et de l'évapotranspiration pour la gestion de l’eau souterraine des champs de canneberges. Premièrement, deux modèles: « Random Forest (RF) » et « Extreme Gradient Boosting (XGB) » ont été paramétrisés et comparés afin de prédirela PNP jusqu'à 48 heures. Deuxièmement, l’importance des variables prédictives a été déterminée pour analyser leur influence sur la simulation de PNP. Les mesures de PNP de trois puits d'observation dans un champ de canneberges, pour la période de croissance du 8 juillet au 30 août 2017, ont été utilisées pour entraîner et valider les modèles. Des statistiques tels que l’erreur quadratique moyenne, le coefficient de détermination et le coefficient d’efficacité de Nash-Sutcliffe sont utilisés pour mesurer la performance des modèles. Les résultats montrent que l'algorithme XGB est plus performant que le modèle RF pour prédire la PNP et est sélectionné comme le modèle optimal. Parmi les variables prédictives, les valeurs précédentes de PNP étaient les plus importantes pour la simulation de PNP, suivie par la précipitation. L’erreur de prédiction du modèle optimal pour la plage de PNP était de ± 5 cm pour les simulations de 1, 12, 24, 36 et 48 heures. Le modèle XGB fournit des informations utiles sur la dynamique de PNP et une simulation rigoureuse pour la gestion de l’irrigation des canneberges. / Integrated ground water management is a major challenge for industrial, agricultural and domestic activities. In some agricultural production systems, optimized water table management represents a significant factor to improve crop yields and water use. Therefore, predicting water table depth (WTD) becomes an important means to enable real-time planning and management of groundwater resources. This study proposes a decision-tree-based modelling approach for WTD forecasting as a function of precipitation, previous WTD values and evapotranspiration with applications in groundwater resources management for cranberry farming. Firstly, two models-based decision trees, namely Random Forest (RF) and Extrem Gradient Boosting (XGB), were parameterized and compared to predict the WTD up to 48-hours ahead for a cranberry farm located in Québec, Canada. Secondly, the importance of the predictor variables was analyzed to determine their influence on WTD simulation results. WTD measurements at three observation wells within acranberry field, for the growing period from July 8, 2017 to August 30, 2017, were used for training and testing the models. Statistical parameters such as the mean squared error, coefficient of determination and Nash-Sutcliffe efficiency coefficient were used to measure models performance. The results show that the XGB algorithm outperformed the RF model for predictions of WTD and was selected as the optimal model. Among the predictor variables, the antecedent WTD was the most important for water table depth simulation, followed by the precipitation. Base on the most important variables and optimal model, the prediction error for entire WTD range was within ± 5 cm for 1-, 12-, 24-, 26-and 48-hour prediction. The XGB model can provide useful information on the WTD dynamics and a rigorous simulation for irrigation planning and management in cranberry fields.

Depuis quelques décennies, les lacs de villégiature au Québec sont exposés à une problématique de transport de sédiments. De nombreuses sources de sédiments peuvent participer à ces apports vers les plans d’eau. Dans le cadre de ce projet de recherche, en collaboration avec la municipalité d’Adstock, les objectifs sont d’identifier la source principale de sédiments qui envase le lac à la Truite et d’élaborer une méthodologie d’implantation de solutions de gestion des eaux pluviales spécifiques au bassin versant à l’étude, permettant de restreindre ce transport de sédiments. Cette implantation doit considérer les contraintes socio-économiques et légales auxquelles la municipalité est confrontée. La source principale de sédiments provient du revêtement de la chaussée du chemin J.-E. Fortin (chemin non pavé, ceinturant la majorité du périmètre du lac). Les résultats démontrent, en effet, des concentrations pondérées par les niveaux d’eau presque deux fois plus élevées pour les sous-bassins versants (SBV) de faible pente et de faible superficie (SBV 7 et 17), attribuables à un impact plus important du lessivage du revêtement sur le ruissellement par rapport à celui provenant du cours d’eau forestier que pour les SBV ayant une superficie et une pente supérieures (SBV 15 et 24). Ces derniers SBV diluent davantage les apports en sédiments de la chaussée malgré un taux d’érosion du couvert forestier plus élevé, confirmant l’impact considérable du chemin sur ces concentrations pondérées. Un autre indice permet d’attester l’influence du ruissellement du revêtement sur la qualité de l’eau des affluents au lac, soit la comparaison entre les concentrations en matières en suspension (MES) (récoltées lors de l’événement du 8-9 août 2018) d’un point d’échantillonnage situé en amont de la chaussée et d’un autre situé en aval du chemin, considérant à la fois le ruissellement du chemin et celui du cours d’eau en forêt. Les résultats démontrent une augmentation de 48 % des concentrations pour le SBV 15 et de 117 % pour le SBV 17 entre les deux points d’échantillonnage. Les observations sur le terrain pendant les événements pluvieux témoignent également d’une forte turbidité provenant du drainage du chemin. Les solutions proposées ciblent le drainage du chemin J.-E. Fortin et la protection des pentes sensibles à l’érosion. Des solutions de gestion des eaux pluviales pourraient également être appliquées à l’ensemble du bassin versant, permettant de diminuer les débits de pointe des SBV critiques pouvant accentuer l’érosion des cours d’eau forestiers, de l’infrastructure routière et des affluents au lac.

Les systèmes de distribution d'eau (SDE) efficaces sont cruciaux pour les sociétés modernes. Leur fonctionnement nécessite d'importantes quantités d'énergie, avec un impact financier significatif pour les fournisseurs d'eau, généralement les gouvernements. De plus, la conception et la maintenance de ces installations atteignent souvent des millions de dollars. Les méthodes actuelles pour résoudre ces problèmes sont souvent excessivement simplifiées ou ne peuvent résoudre que des réseaux schématiques de petite taille. Cette thèse comprend quatre projets de recherche abordant différentes étapes d'optimisation dans les SDE. Tout d'abord, nous étudions le problème de la planification des pompes pour les SDE, comprenant des pompes fournissant le débit et la pression nécessaires au réseau d'eau pour satisfaire les demandes des consommateurs. En plus de planifier le fonctionnement des pompes sur un horizon temporel donné, plusieurs contraintes liées aux propriétés hydrauliques sont prises en compte, certaines pour la première fois dans la littérature. L'objectif est de fournir un plan de pompage de coût minimum qui satisfait toutes les demandes et respecte de nombreuses contraintes opérationnelles et hydrauliques. Nous proposons une formulation non linéaire et non convexe ainsi qu'une heuristique performante, qui vissent la minimisation des coûts énergétiques. Le comportement hydraulique physique est assuré via un logiciel de simulation hydraulique. Notre méthode a significativement amélioré, jusqu'à 17%, les meilleures solutions pour plusieurs instances de référence, en obtenant des solutions plus rapidement que les méthodes de la littérature. Nos solutions réduisent également la consommation d'énergie pendant les périodes de pointe, lorsque le réseau électrique est le plus sollicité. La deuxième étude touche l'optimisation de la qualité de l'eau dans les systèmes de distribution d'eau. Ici, nous abordons le problème de la planification des pompes contraint par la qualité de l'eau, où en plus de planifier le fonctionnement des pompes et la maintenance du comportement hydraulique, nous devons garantir une qualité d'eau adéquate en gérant l'injection de chlore dans le système sur un horizon temporel d'une journée, avec une injection variable de chlore dans les sources d'eau, les réservoirs et les nœuds d'injection. Cette étude introduit un nouvel ensemble de contraintes pour assurer la continuité de la qualité de l'eau, ce qui permet au plan de fonctionner sur un horizon temporel étendu. Ce travail propose un algorithme génétique de tri non dominé (NSGA-II) pour aborder une adaptation d'un réseau de grande taille issu de la littérature sur le problème de planification des pompes, avec des restrictions ajoutées pour la qualité de l'eau. Cette méthode a significativement amélioré les meilleures solutions de planification des pompes pour le réseau de Florianópolis, au Brésil, jusqu'à 3,74%, tout en assurant une gestion efficace de la qualité de l'eau. La troisième étude porte sur la conception et la maintenance des SDE. En particulier, le problème de conception du réseau de distribution d'eau, qui détermine le meilleur ensemble de conduites pour fournir de l'eau depuis les sources jusqu'aux consommateurs. La formulation générale du problème de conception optimale est très difficile à résoudre : elle nécessite de garder une pression minimale d'eau et de satisfaire les demandes de tous les nœuds tout en respectant des contraintes hydrauliques non linéaires. Cela nécessite des heuristiques complexes ou des simplifications qui réduisent la viabilité des solutions. Nous proposons une heuristique de recherche de voisinage parallèle, axée sur la minimisation des coûts de construction en exploitant deux opérateurs performants et plusieurs critères de réduction de l'espace des solutions. Notre méthode est testée sur plusieurs réseaux de référence, pour lesquelles nous avons obtenu les meilleures solutions de la littérature, tout en réduisant le nombre de simulations hydrauliques requises, offrant un meilleur compromis entre coût et performance. Enfin, notre quatrième recherche aborde la fiabilité lors de la conception de réseaux de distribution d'eau. Cette étude compare deux fonctions de résilience bien connues, qui servent de mesure substitutive de la fiabilité du réseau. Ce problème vise à déterminer le meilleur ensemble de conduites pour fournir la demande en eau avec une pression adéquate tout en minimisant les coûts de construction et en maximisant la fiabilité du réseau. Ensuite, un algorithme génétique multi-objectif est utilisé pour obtenir les fronts de Pareto coût-fiabilité pour chaque fonction. Les résultats des trois réseaux de référence sont ensuite soumis à une analyse comparative à l'aide de quatre tests distincts de fiabilité du réseau, couvrant des scénarios liés à la rupture de conduites, à l'augmentation de la demande, au débit en cas d'incendie et au vieillissement des conduites. En particulier, le test de fiabilité en cas de vieillissement des conduites intègre une fonction de régression conçue pour estimer la dégradation annuelle du coefficient de rugosité de la formule Hazen-Williams pour calculer les pertes de charge. De plus, cette recherche propose également une étude approfondie sur la prise de décision robuste visant à utiliser efficacement les résultats des tests de fiabilité afin de sélectionner une conception fiable pour un réseau de distribution d'eau. Les algorithmes développés dans cette thèse et les solutions que nous obtenons pour ces problèmes difficiles et pertinents sont non seulement importants du point de vue pratique, mais contribuent également à la littérature dans les domaines de l'optimisation et de la distribution d'eau. Les résultats obtenus avec cette thèse ont le potentiel de générer des économies de milliers de dollars pour les municipalités à court terme et de contribuer au développement durable à long terme. / Efficient Water Distribution Systems (WDS) are crucial for modern society. Their operation requires large amounts of energy with significant financial impact for the utility providers, typically governments. Moreover, the design and maintenance of these facilities often reach the scale of millions of dollars. Existing solution methods for these problems are often oversimplified or can only solve very small schematic networks. This thesis comprises four research projects addressing different optimization stages arising in WDS problems. First, we study the pumping scheduling problem for WDS, consisting of pumps providing the flow and pressure for the water network to satisfy consumers' demands. Besides scheduling the operation of pumps over a planning horizon, several constraints regarding hydraulic properties are considered, some for the first time in the literature. The goal is to provide a pumping plan of minimum cost that satisfies all demands and respects many operational and hydraulic constraints. We propose a nonlinear and non-convex formulation and a high-performance heuristic, focusing on minimizing the energy cost. Our method significantly improved the best solutions for several benchmark instances by up to 17%, obtaining solutions faster than the methods from the literature. Our solutions also reduce the energy consumed during peak periods, when the electrical grid is most strained. The second study delves into the water quality optimization of water distribution systems. Here, we address the quality-constrained pump scheduling problem, where besides scheduling the operation of pumps and the maintenance of the hydraulic behavior, we must ensure adequate water quality by managing the injection of chlorine through the system over a one-day planning horizon with variable chlorine injection at reservoirs, tanks, and booster nodes. This study introduces a new set of tank-quality continuity constraints that allow schedules to work over a long rolling horizon. This work proposes a Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II to address a quality-constrained adaptation of a real big-size benchmark network from the pumping scheduling problem literature. This method significantly improved the best pumping scheduling solutions for the Florianópolis network by up to 3.74% while ensuring efficient water quality management. The third study addresses the design and maintenance of WDS. In particular, the water distribution network design problem determines the best set of pipes to supply water from the reservoirs to the consumers. The general formulation of the optimal cost design problem is very difficult to solve: it requires maintaining minimum water pressure and fulfilling the demand of all nodes while satisfying nonlinear hydraulic constraints. This leads to complex heuristics or simplifications that reduce the viability of the solutions. We propose a simple parallel neighborhood search heuristic, which focuses on minimizing the construction cost by exploiting two high-performance operators and multiple solution-space reduction criteria. Our method is tested on several benchmark instances, matching the best solutions from the literature while improving the number of hydraulic simulations required, providing a high-performance trade-off between cost and performance. Finally, our fourth research addresses the reliable water distribution network design problem. This study compares two well-known resilience functions, which work as a surrogate measure of network reliability. This problem seeks to determine the best set of pipes to supply the water demand with adequate pressure that minimizes the construction cost and maximizes the network reliability. Subsequently, a multi-objective genetic algorithm is employed to derive the cost-resilience Pareto-fronts for each function. The results from three benchmark networks are then subjected to a comparative analysis using four distinct network reliability tests, encompassing scenarios related to pipe failure, demand increase, fire flow, and pipe aging. In particular, the pipe aging reliability test incorporates a regression function designed to estimate the annual degradation of the Hazen-Williams roughness coefficient. Moreover, this research also provides a comprehensive study on robust decision-making to effectively utilize the results from the reliability tests in order to select a dependable design for a water distribution network. The algorithms developed in this thesis and the solutions we obtain for these difficult and relevant problems are not only important from a practical standpoint but also contribute to the literature of both optimization and water distribution fields. The results obtained with this thesis have the potential to save several thousands of dollars for municipalities in the short term and to contribute to sustainable development in the long term.

Les eaux douces contenues dans les aquifères transfrontières sont une ressource naturelle indispensable pour la vie, l'homme et les écosystèmes. Les enjeux socioéconomiques et environnementaux relatifs à la gestion des aquifères ou systèmes aquifères se sont accrus de façon considérable. Les impacts des activités anthropiques peuvent être néfastes pour les eaux souterraines. D'où la nécessité de cerner le statut juridique de ces eaux souterraines transfrontières. Les règles fondamentales applicables aux aquifères transfrontières peuvent être dégagées d'une manière claire et réduites à deux règles de fond : le principe de l'utilisation équitable et raisonnable et le principe de ne pas causer de dommages significatifs aux pays voisins. À cela faut-il ajouter l'obligation de coopérer qui consiste en un ensemble d'exigences procédurales. Ces trois principes fondamentaux du droit international de l'eau ainsi que les autres règles forment un ensemble intégré d'obligations de fond et de procédure qui s'appliquent à tous les États de l'aquifère soit en vertu de dispositions conventionnelles spécifiques entre États concernés, soit en vertu du droit international coutumier. Dans la région, l'encadrement juridique applicable aux ressources en eau transfrontières demeure sectoriel, fragmenté et parcellaire, et non spécifique aux aquifères ; ce qui compromet la gestion durable, équitable et raisonnable des eaux transfrontières. De plus, l'existence d'une panoplie d'institutions multiniveaux qui interviennent dans leur gestion crée des chevauchements de responsabilité inutiles et peu efficaces. Dès lors, l'adoption par les sept États du système aquifère de l'Iullemeden et de Taoudéni-Tanezrouft du Mémorandum pour l'établissement d'un mécanisme de consultation pour la gestion intégrée des ressources en eau du système aquifère de l'Iullemeden et de Taoudéni-Tanezrouft (SAIT) d'Abuja en 2014 est intéressante pour la construction d'un droit régional des aquifères transfrontières. L'adoption des principes de gestion commune permet aux États de gérer et de protéger le SAIT, comme une ressource d'intérêt commun, dans la transparence et l'équité, tout en étant convaincus et conscients de leur rôle d'États gardiens de cette ressource pour les générations présentes et futures. Pour ce faire, les États du SAIT devraient également mettre en place une Commission mixte internationale et permanente à qui, ils donneront mandat pour gérer et protéger le SAIT. Enfin, la coopération mutualisée du système d'Iullemeden et de Taoudéni-Tanezrouft peut être consolidée par des mesures de protection spécifiques comme la gestion écosystémique des aquifères transfrontières, le système d'information et de suivi, le programme d'éducation à l'eau pour former une conscience environnementale et protectrice des ressources en eau. / Transboundary aquifers are an indispensable natural resource for life, people, and ecosystems. The socio-economic and environmental challenges related to the management of aquifers or aquifer systems have increased considerably. The impacts of anthropogenic activities can be detrimental to groundwater. Hence the need to identify the legal status of such transboundary groundwaters. The basic rules applicable to transboundary aquifers can be clearly identified and reduced to two substantive rules: the principle of equitable and reasonable utilization and the principle of not causing significant harm to neighbouring countries. To this must be added the obligation to cooperate which consists of a set of procedural requirements. These three basic principles of international water law together with the other rules form an integrated set of substantive and procedural obligations that apply to all aquifer States either under specific treaty provisions among the States concerned or under customary international law. In the region, the legal framework applicable to transboundary water resources remains sectoral, fragmented, and piecemeal and not specific to aquifers, thus undermining the sustainable, equitable and reasonable management of transboundary waters. Moreover, the existence of a range of multilevel institutions involved in their management creates unnecessary and inefficient overlapping responsibilities. Therefore, the adoption by the seven States of the Iullemeden-Taoudéni-Tanezrouft aquifer system of the Memorandum for the Establishment of a Consultative Mechanism for Integrated Water Resources Management of the Iullemeden-Taoudéni-Tanezrouft Aquifer System (ITTAS) in Abuja in 2014 is of interest for the construction of a regional law on transboundary aquifers. The adoption of common management principles enables States to manage and protect the SAIT as a resource of common interest in a transparent and equitable manner, while being convinced and aware of their role as custodial States of this resource for present and future generations. To this end, the SAIT States should also establish a permanent International Joint Commission with a mandate to manage and protect the SAIT. Finally, the mutual cooperation of the Iullemeden and Taoudéni-Tanezrouft system can be consolidated by specific protection measures such as ecosystemic management of transboundary aquifers, the information and monitoring system, the water education programme to form an environmental awareness and protection of water resources.