L’eau est une ressource vitale, indispensable à la vie sur terre. A l’instar de nombreuses autres ressources naturelles, l’eau propre à la consommation est soumise à une forte pression à cause de l’impact de l’activité humaine d’une part et de l’augmentation continue de la population mondiale d’autre part. Une pression tellement forte que l’eau propre représente l’un des 17 objectifs de développement durable des Nations Unies. Dans ce contexte, une gestion rationnelle et durable de la ressource s’avère indispensable. Dans ce but, un système intelligent de supervision des réseaux d’eau potable peut s’avérer très utile. Les systèmes existant sont toutefois peu intégrés et compacts, nécessitent souvent une alimentation externe, et restent relativement chers pour un déploiement massif sur les réseaux. La présente thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche européen, PROTEUS, visant à pallier ces différents problèmes en mettant au point un système de mesure pour la supervision de la ressource en eau permettant la mesure de 9 paramètres physico-chimiques, reconfigurable, et énergétiquement autonome. La contribution de la présente thèse à ce projet porte sur la conception et l’optimisation des différents capteurs physiques (conductivité électrique, pression, température et débit) ainsi qu’à leur co-intégration sur une même puce. Le système proposé montre des performances au moins égales à celle de l’état de l’art en ce qui concerne la robustesse, assurée par la redondance de nombreux éléments sensibles, le domaine de sensibilité et la consommation énergétique. Le présent manuscrit est par conséquent construit comme suit : le premier chapitre est une introduction générale à la supervision de grandeurs environnementales et à la puce multi-capteurs. Le second chapitre décrit la structure de la puce multi-capteurs ainsi que les méthodes de fabrication utilisées, avec une attention particulière accordée aux capteurs de pression et de conductivité électrique. Le troisième chapitre porte sur l’utilisation de résistances électriques pour la mesure de diverses grandeurs physiques, notamment la température. Le dernier chapitre s’attarde plus particulièrement sur l’utilisation de ce type de résistances pour la mesure de débit avant de conclure et de proposer des perspectives pour des travaux futurs / Water is a vital element for every living being on the earth. Like many other dwindling natural resources, clean water faces a strong pressure because of human activity and the rapid growth of global population. The situation is so critical that clean water has been identified as one of the seventeenth sustainable development goals of the United Nations. Under these conditions, a sustainable management of water resources is necessary. For this purpose, a smart solution for water networks monitoring can be very helpful. However, commercially available solutions lack compactness, self-powering capabilities cost competitiveness, necessary to enable the large rollout over water networks. The present thesis takes place in the framework of a European research project, PROTEUS, which addresses these different problems by designing and fabricating a multi-parameter sensor chip (MPSC) for water resources monitoring. The MPSC enables the measurement of 9 physical and chemical parameters, is reconfigurable and self-powered. The present thesis addresses more precisely physical sensors, their design, optimization and co-integration on the MPSC. The developed device exhibits state of the art or larger performances with regard to its redundancy, turn-down ratio and power consumption. The present manuscript is split into two main parts: Part-I and Part-II. Part-I deals with non-thermal aspects of the MPSC, the pressure and conductivity sensor for instance, as well as the fabrication process of the whole device (Chapter 1 and 2). The background of environmental monitoring is presented in Chapter 1 along with the State of Art review. Chapter 2 describes fabrication methods of the MPSC. Preliminary characterization results of non-thermal sensors are also reported in this chapter. Chapter 3 and 4, included in Part-II, deal with thermal sensors (temperature and flow-rate). Chapter 3 describes the many possible uses of electric resistances for sensing applications. Finally, in chapter four, we focus on flowrate sensors before concluding and making a few suggestions for future works

Cette thèse s’intéresse au problème du renouvellement des infrastructures des services de distribution d’eau potable. Nous observons aujourd’hui dans les pays développés qu’une grande partie des canalisations atteint un état d’obsolescence avancé.  La principale conséquence de cette obsolescence est l’apparition de fuites importantes. L’eau perdue dans ces fuites entraîne des pertes économiques liées au gaspillage des ressources investies dans la production d’eau potable, une baisse de qualité de l’eau et des pertes financière. Dans cette thèse j’explore les raisons pour lesquelles le taux de renouvellement des réseaux de distribution d’eau est si faible comparé aux besoins manifestes. Cette thèse est composée de trois chapitres. Dans le premier chapitre, je présente un modèle statique de minimisation des coûts pour obtenir un indice de qualité qui est « cost-efficient ». Cet indice est défini comme une proportion des canalisations de « bonne qualité » par rapport à la longueur totale du réseau. La solution optimale dépend de l’arbitrage entre le coût des pertes en eau par rapport au coût des canalisations de bonne qualité. Lorsque des économies d’échelle liées à la densité du réseau existent, comme dans les services urbains, les pertes en eau représentent un coût important et la réduction des pertes en eau par une augmentation de la qualité du réseau est une solution bénéfique pour les services d’eau. Cependant, nous montrons que les services d’eau dans les milieux ruraux font face à de plus grandes difficultés, à la fois pour pouvoir assurer une réduction des pertes en eau et pour répercuter le coût de renouvellement dans les prix.Dans le deuxième chapitre, je présente un modèle de « optimal switching time » qui étudie la date optimale de renouvellement des infrastructures déterminée à partir d’un modèle de maximisation des profits des services d’eau. Dans ce modèle, nous analysons le choix entre la réhabilitation et le remplacement des canalisations. Cela signifie que les services d’eau peuvent choisir une option moins coûteuse caractérisée par la réhabilitation des vielles canalisations ou le remplacement immédiat qui entraîne un coût nettement supérieur. Les résultats nous montrent que le remplacement direct est un choix plus raisonnable puisque les gains associés à la réduction temporaire des pertes en eau et au prolongement de la durée de vie des canalisations ne compensent pas le coût supplémentaire associé à la réhabilitation. Ceci est particulièrement visible dans le cas des services d’eau en milieux urbain.Dans le troisième chapitre, je présente une étude empirique concernant le taux de remplacement des canalisations dans les services d’eau en France. Les résultats nous montrent que les taux de remplacement sont en moyenne plus élevés dans les services gérés par des régies qu’en affermage. Ceci peut s’expliquer par le fait que les services en régie sont majoritairement présents dans les services de petites tailles. Par conséquent, des taux de remplacement élevés sont souvent associés à des réseaux de petite taille (faible kilométrage de canalisations). De plus, dans les petits services ruraux, les travaux de remplacement sont souvent réalisés en parallèle d’autres travaux. Néanmoins nous observons également dans les services de grande taille des taux de remplacement plus élevés dans les services en régie que dans les services en affermage. Ceci peut s’expliquer par une différence d’objectif défini par les services en régie et les services en affermage : les services en affermage ne sont pas responsables du renouvellement des canalisations à moins que ceci soit spécifié dans leurs contrats. De plus, nos résultats montrent que même s’il existe un effet négatif de la taille des services sur les taux de remplacement, dans les très grandes villes, les taux de remplacement sont plus élevés. Ceci est cohérent avec les résultats théoriques obtenus dans les deux premiers chapitres. / This dissertation focuses on the issue of water infrastructure renewal in potable water distribution networks. I investigate the reasons why water infrastructure in certain water utilities are not renewed. This dissertation is divided into three chapters. The first chapter is based on theoretical models that solve for the optimal water main network quality index. The second chapter studies the optimal timing of water mains replacement. And finally, the third chapter is based on an empirical study on the factors that influence the water main replacement rates in French utilities.In the first chapter I present a static cost minimisation model to solve for the cost-efficient water main quality index. This quality index is defined as the proportion of ``new" mains (which we denote as ''good quality mains'') to the total length of mains. The solution depends on the arbitrage between the cost of water loss and the cost of good quality mains. Where economies of network density are present such as urban utilities, water loss represents a cost burden to the water utility; hence water loss reduction (high network quality) is beneficial. Furthermore, we show that rural utilities face the largest difficulty in achieving both water loss reduction and cost recovery of network renewal.In the second chapter I present a two-stage optimal switching timing model that solves for the profit-maximising timing of water mains replacement. This model considers the option between rehabilitation and replacement. Water utilities may be inclined to rehabilitate old mains to extend their longevity since rehabilitation costs are much lower than replacement costs. We show that it is beneficial for the utilities to replace mains that are already obsolete than to rehabilitate since the generated benefit from temporary water loss reduction and the postponement of replacement is not worth the cost of rehabilitation. This is particularly noticeable in large urban utilities that face large costs of water loss.In the third chapter, I present an empirical study on the water mains replacement rates observed in French water utilities. The empirical results based on cross sectional data show that publicly operated utilities on average have higher replacement rates than outsourced utilities. This is because most of the public utilities have short total network length (very high replacement rates are associated with small network length). Moreover, small rural networks tend to conduct replacement of mains alongside other roadworks. However results also show that public utilities have higher replacement rates over outsourced ones in very large urban utilities. This result reflects the difference of priorities defined by in-house operated utilities and outsourced utilities. This difference does not imply that outsource utilities neglect network renewal; instead it reveals the nature of the structure of outsourced utilities. The responsibility of outsourced utilities are defined in the contract signed with the local authority. If network renewal is not specified, there is no incentive for replacing mains. Moreover, in practice, outsourced utilities often manifest higher prices which are accompanied by higher water quality. Furthermore, the results show that the size of the network has a large impact on replacement rates. The longer the length, the proportion of replaced mains are smaller; however, for very large utilities the negative effect disappears. The results show that replacement rates are indeed greater in very large urban utilities. This result is coherent with the theoretical models presented in the first chapter that shows the urgent need for high network quality in large urban utilities.

L’évolution de l’équipement des réseaux d’eau potable a considérablement amélioré le pilotage de ces derniers. Le telérelevé des compteurs d’eau est sans doute la technologie qui a créé la plus grande avancée ces dernières années dans la gestion de l’eau, tant pour l’opérateur que pour l’usager. Cette technologie a permis de passer d’une information le plus souvent annuelle sur les consommations (suite à la relève manuelle des compteurs d’eau) à une information infra-journalière. Mais le télérelevé, aussi performant soit-il, a un inconvénient : son coût. L’instrumentation complète d’un réseau engendre des investissements que certains opérateurs ne peuvent se permettre. Ainsi la création d’un échantillon de compteurs à équiper permet d’estimer la consommation totale d’un réseau tout en minimisant les coûts d’investissement. Cet échantillon doit être construit de façon intelligente de sorte que l’imprécision liée à l’estimation ne nuise pas à l’évaluation des consommations. Une connaissance précise sur les consommations d’eau permet de quantifier les volumes perdus en réseau. Mais, même dans le cas d’une évaluation exacte des pertes, cela ne peut pas suffire à éliminer toutes les fuites sur le réseau. En effet, si le réseau de distribution d’eau potable est majoritairement enterré, donc invisible, il en va de même pour les fuites. Une fraction des fuites est invisible et même indétectable par les techniques actuelles de recherche de fuites, et donc irréparable. La construction d’un modèle de fuite multi-états permet de décomposer le débit de fuite suivant les différents stades d’apparition d’une fuite : invisible et indétectable, invisible mais détectable par la recherche de fuite et enfin visible en surface. Ce modèle, de type semi-markovien, prend en compte les contraintes opérationnelles, notamment le fait que nous disposons de données de panel. La décomposition du débit de fuite permet de fait une meilleure gestion du réseau en ciblant et adaptant les actions de lutte contre les fuites à mettre en place en fonction de l’état de dégradation du réseau. / The evolution of equipment on drinking water networks has considerably bettered the monitoring of these lasts. Automatic meter reading (AMR) is clearly the technology which has brought the major progress these last years in water management, as for the operator and the end-users. This technology has allowed passing from an annual information on water consumption (thanks to the manual meter reading) toan infra-daily information. But as efficient as AMR can be, it has one main inconvenient : its cost. A complete network instrumentation generates capital expenditures that some operators can’t allowed themselves. The constitution of a sample of meters to equip enables then to estimate the network total consumption while minimizing the investments. This sample has to be built smartly so the inaccuracy of the estimator shouldn’t be harmful to the consumption estimation. A precise knowledge on water consumption allowsquantifying the water lost volumes on the network. But even an exact assessment of losses is still not enough to eliminate all the leaks on the network. Indeed, if the water distribution network is buried, and so invisible, so do the leaks. A fraction of leaks are invisible and even undetectable by the current technologies of leakage control, and so these leaks are un-reparable. The construction of a multi-state model enables us to decompose the leakage flow according to the different stages of appearance of a leak : invisible and undetectable, invisible but detectable with leakage control and finally detectable. This semi-Markovian model takes into account operational constrains, in particular the fact that we dispose of panel data. The leakage flow decomposition allows a better network monitoring but targeting and adapting the action of leakage reduction to set up according to the degradation state of the network.