Les avantages de la gestion intégrée de l'eau sont connus depuis des années, mais ces approches sont devenues plus importantes que jamais. Cela est reconnu dans l'objectif 6 des 17 objectifs de développement durable des Nations Unies. En ciblant à la fois l'eau potable et l'assainissement, cet objectif demande une approche intégrée car il reconnaît leur interdépendance. Cette thèse vise à faire progresser le domaine de la modélisation intégrée de l'eau, et en particulier en ce qui concerne les matières en suspension. Les émissions globales de l'assainissement ont gagné en intérêt puisque les normes de qualité de l'eau sont étendues de la station de récupération des ressources de l'eau au réseau d'égout. La modélisation intégrée permet d'évaluer les interactions et d'estimer les émissions en plus des mesures de la qualité de l'eau (encore) rares. Les particules peuvent être considérées comme un indicateur de la qualité de l'eau couvrant la pollution particulaire, mais aussi les matières organiques, les nutriments et les substances telles que les micro-polluants hydrophobes. L'approche de modélisation choisie est conceptuelle, pour ses calculs rapides, et basée sur la distribution de la vitesse de décantation des particules, partout où la décantation et la remise en suspension sont les processus caractéristiques. L'approche est complétée par d'autres modèles pour couvrir le système du bassin versant jusqu'à la station de récupération des ressources de l'eau. Un modèle intégré nécessite de nombreuses données. Pour une collecte de données efficace, premièrement, une procédure est établie pour construire un modèle conceptuel d'égout à partir d'un modèle hydraulique détaillé. Deuxièmement, une méthodologie de conception expérimentale optimale est adaptée à l'environnement complexe des égouts pour une campagne de mesure de la qualité de l'eau. L'utilité de l'approche de la distribution de la vitesse de décantation des particules est ensuite démontrée en calibrant et en validant le modèle pour une site pilote. Une procédure est élaborée pour tenir compte de l'incertitude des paramètres et de la variabilité des données d'entrée an d'identifier des points de contrôle ables. La procédure est utilisée pour la réduction d'émission des particules, facilitée par le calcul rapide du modèle car plusieurs analyses de sensibilité sont demandées. Le dernier chapitre termine la thèse par l'évaluation pratique des stratégies visant à réduire les émissions globales. La thèse fait ainsi progresser le domaine de la modélisation intégrée des particules et fournit en même temps des procédures qui permettent de surmonter les obstacles généraux à la modélisation en mettant l'accent sur la collecte de données fiables et efficaces, la modélisation ainsi que l'optimisation. / The advantages of integrated water management have been known for decades, but are more than ever important. This is acknowledged in goal six of the 17 sustainable development goals of the United Nations. By targeting both clean water as well as sanitation, this goal is inherently asking for an integrated approach since it recognizes their interdependence. This dissertation aims at advancing the eld of integrated water systems modelling in general, and in particular with respect to suspended solids. Overall emissions from the integratedurban wastewater system have gained interest since water quality standards are increasing lyextended from the water resource recovery facility to the sewer system. Integrated modelling allows evaluating interactions and estimating overall emissions complementary to the not (yet) abundant water quality measurements. For this evaluation suspended solids can be seen asan indicator for the receiving water quality covering particulate pollution as such, but also undesired organic matter, nutrients and substances such as hydrophobic micropollutants. The modelling approach chosen is conceptual, due to its rapid calculations, and based on the particle settling velocity distribution wherever settling and resuspension are the characteristic processes of suspended solids. The approach is extended with complementary models to coverthe integrated system from the catchment down to the water resource recovery facility. The development of an integrated model however requires vast data sets. First, for efficient data collection a procedure is established to build a fast conceptual sewer model from its detailed hydraulic counter part. Second, an optimal experimental design methodology is adapted to the challenging sewer environment for the efficient planning of a water quality measurement campaign. The usability of the particle settling velocity approach is then shown by calibrating and validating the model for a case study. A procedure is developed to consider parameter uncertainty and input variability to identify reliable control handles. The procedure is appliedfor the abatement of total suspended solid, facilitated by the comparably low computational demand of the model, as the procedure asks for multiple global sensitivity analyses. The last chapter closes the dissertation with the practical application of evaluating different strategies to reduce the total suspended emissions to the receiving water. The dissertation thus advances the eld of integrated modelling for particulates and at the same time provides procedures which overcome barriers general to modelling focusing on reliable and efficient data collection,as well as optimization.

Ce travail porte sur la gestion de l’eau dans les communautés urbaines et rurales des provinces romaines d’Afrique et d’Hispanie, régions caractérisées par une importante sécheresse estivale et des précipitations hivernales irrégulières. La période retenue (Ier siècle avant-Ve siècle après J.-C) permet de s’intéresser aux structures politiques, institutionnelles et juridiques romaines, à travers les compilations de droit de la fin de l’Antiquité tardive, mais aussi des sources littéraires et épigraphiques. L’éclairage spécifique qu’offrent les sources juridiques sur les institutions locales permet de détailler comment l’eau est administrée à l’échelle de la cité et des communautés rurales, mais aussi les liens que ces dernières entretiennent avec les autorités provinciales et centrales. Cette étude porte tout d’abord sur les différentes règles administratives, institutionnelles et juridiques déterminant le partage de responsabilités élaboré par les communautés provinciales, tant en ville qu’en campagne, pour se prémunir des risques de pénurie et d’inondation. On analyse, dans un second temps, les fondements politiques de la maîtrise commune des ressources hydriques. La notion de consensus se révèle alors déterminante pour comprendre les raisons qui poussent les membres de différentes communautés étudiées à collaborer, mais également à surmonter les épisodes de crise et de conflits. L’ensemble de ces questionnements s’inscrit enfin dans une réflexion plus générale sur les interactions institutionnelles entre centre et périphérie, autour de l’administration d’une ressource naturelle partagée, recherchée et nécessaire à tous, et sur l’autonomie des communautés locales. Mots-clefs : droit romain – gestion de l’eau – institutions provinciales – rapports centre/périphérie – irrigation – Espagne romaine – Afrique romaine / This study is about the water management in rural and urban communities of the roman provinces of Africa and Spain. Those regions can be described as dry to semi-arid in summer, when very irregular and unpredictable rain is typical in winter. During the period between first century BC and fifth century AD, those provinces remain under institutional, administrative and judicial authority of Rome. A particular attention will be focused on the local institutions, in cities as well as in the countryside, through Roman law. It will allow describing how those institutions manage to take the water administration in charge, and how they handle it in their relationship with provincial and central roman authorities. Roman law sheds a specific light on local institutions from the city and from rural communities. It allows describing how is water managed at this level and through the relationships between centre and periphery. This study deals with the various rules settling how is responsibility shared amongst those communities’ institutions, their main purpose being protecting from flood or water shortage. In a second time will be analyzed on what is based such a collective management, which can be defined as a consensus. This notion is relevant as it allows our understanding of collaboration, and of overcoming conflicts and crises. All those questions have to be understood as part of a more general understanding about institutional relationships between roman provinces and imperial government, and about local self-government. Key words: Roman law – water management – provincial institutions – centre and periphery – irrigation – Roman Spain – Roman Africa

Cette thèse est consacrée à l'amélioration de la surveillance de la qualité de l'eau potable en réseau de distribution (RD) et à son. Le principal RD de la ville de Québec (Canada) est étudié. La thèse comporte quatre chapitres. Le premier porte sur la qualité microbiologique de l'eau. Il introduit de nouvelles approches statistiques pour modéliser les comptes de bactéries hétérotrophes anaérobies et aérobies facultatives (BHAA) utilisées comme indicateur de la variabilité de la qualité de l'eau. Les résultats obtenus permettent de définir des stratégies saisonnières afin de réduire les comptes de BHAA en réseau. Le second chapitre traite également de la qualité microbiologique de l'eau. En utilisant les paramètres significatifs des modèles du premier chapitre, il modélisé le compte des BHAA en utilisant des techniques de logique floue. Les résultats permettent d'utiliser les modèles construits comme des ± classificateurs ¿ facilitant l'identification des endroits du RD vulnérables à la contamination microbienne, aidant ainsi dans le processus de décision. Le troisième chapitre est centré sur la création d'un protocole formel pour sélectionner et prioriser les secteurs d'échantillonnage de l'eau en intégrant des paramètres de qualité d'eau, d'intégrité structurale du réseau et d'exposition de la population. Le protocole utilise le concept de risque et applique des techniques de logique floue pour créer un indice permettant d'ordonner les secteurs d'échantillonnage du RD. Le dernier chapitre traite de la réconciliation du 'risque réel' de l'eau distribuée et du ± risque perçu ¿ par les consommateurs. Il applique le concept de ± déploiement de fonctions de qualité ¿ pour prioriser les besoins des consommateurs et les caractéristiques de l'eau et du RD pour satisfaire les besoins priorisés.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Cette thèse s’intéresse au développement d’un système intelligent d’aide à la décision (SIAD) destiné à la conception, à la gestion et à l’optimisation des programmes de suivi de la qualité de l’eau (PSQE). Toute son originalité repose sur le fait qu’elle aborde la question dans une perspective holistique qui se traduit par le développement d’une approche participative dans le but de déterminer les besoins en connaissances sur la qualité et la quantité de l’eau sur lesquels se base le SIAD pour assister les gestionnaires de PSQE à toutes les étapes de la planification, de la gestion et de l’optimisation d’un PSQE. ... / This thesis focuses on the development of an intelligent decision-support system (IDSS) to plan, manage and optimize water quality monitoring programs (WQMPs). The main originality of this thesis is to have approached thequestion of planning, managing and optimizing WQMPs in a holistic manner. The holistic approach transcends into the developing of a participative approach to identify knowledge needs on water quality and quantity to feed an IDSS which assists WQMP managers in every aspect of planning, managing and optimizing WQMPs. ...

Lors d’un suivi en temps réel de la qualité de l’eau d’une rivière, une quantité innombrable de données peut être récoltée permettant ainsi une bonne description des dynamiques changeant rapidement. Cependant, des questions s’imposent. Quelle est la qualité des données mesurées en temps réel? Quels sont les effets de données de mauvaise qualité sur les objectifs associés à leur utilisation? Ce mémoire tente de résoudre cette problématique en présentant des outils automatiques d’évaluation de la qualité des données. Ces outils sont généraux et simples, en ce sens qu’ils s’appliquent à différents emplacements (rivière, STEP, égout, etc.) et qu’ils sont basés sur des méthodes univariées faciles à implanter. Suite à l’application de ces outils, la qualité des données est connue et accrue favorisant ainsi l’atteinte des objectifs reliés à un suivi en temps réel. Leur application est démontrée sur des données mesurées lors d’un suivi en temps réel de la qualité de l’eau d’un ruisseau urbain effectué à l’aide de la station monEAU. / During real-time water quality monitoring in river systems, a huge amount of data is produced which allows a better description of the rapidly changing dynamics compared to spot sampling methods. However, what is the quality of the measured data and what are the impacts of poor data quality on the objectives pursued during real-time water quality monitoring? Therefore, this master thesis proposes automatic data quality assessment tools to tackle this issue. These tools are general and simple, which means that they can be applied to any type of water and that they are based on easy-to-implement univariate methods. Following the application of these tools, data quality will be improved and known as such and will allow to better achieve the objectives of a real-time water quality monitoring project. The application of these tools is demonstrated on data collected during real-time water quality monitoring of an urban river performed using a monEAU station.

Depuis que le Règlement sur le captage des eaux souterraines du Québec (2002) a été publié, il est exigé des municipalités de procéder à l'exercice de détermination des aires d'alimentation et des périmètres de protection de leurs puits servant à l'alimentation publique dans le but de protéger la ressource en eau et d'assurer sa pérennité. Dans plusieurs municipalités du sud du Québec dont l'eau souterraine est la première source d'approvisionnement en eau, l'agriculture est un important secteur de développement économique. En conséquence, il est important d'approfondir l'état des connaissances de l'impact des pressions agricoles sur la qualité de l'eau souterraine et en particulier aux abords des ouvrages municipaux de captage d'eau. La présente recherche pose comme hypothèse générale que l'eau de consommation provenant de puits municipaux est soumise à l'influence de l'agriculture particulièrement lorsque l'agriculture se manifeste de manière intensive. Le territoire d'étude inclut sept (7) régions administratives de la province de Québec et compte environ 550 puits municipaux. Des aires d'alimentation approximatives des puits ont été générées selon une adaptation de l'approche par bassin versant à partir des modèles numériques d'élévation. Cette analyse régionale diffère des autres études du genre conduites auparavant puisqu'elle propose l'application d'une unité spatiale spécifique pour chaque puits au lieu de rayons fixes. L'information ayant trait à la vulnérabilité ainsi qu'aux pressions agricoles a été manipulée par le biais d'un système d'information géographique (SIG). Les variables générées pour la caractérisation de la vulnérabilité des aquifères à la contamination sont : l'infiltration superficielle, les caractéristiques des sols, la porosité des dépôts meubles et leur profondeur. Plusieurs variables ont été générées afin d'établir un portrait représentatif des pressions agricoles affectant les aires d'alimentation approximatives des puits. L'état de la qualité de l'eau des puits a été décrite selon deux paramètres : les concentrations de nitrates-nitrites exprimées par des seuils de 0,5 et 1 mg/ L N et l'occurrence de contamination microbiologique par les conformes totaux. Les résultats de cette étude démontrent que la qualité de l'eau des puits municipaux en regard des nitrates-nitrites et des conformes totaux est plus faible lorsque la vulnérabilité de l'eau souterraine et les pressions agricoles sont plus élevées à l'intérieur de l'aire d'alimentation. Plusieurs modèles de régression logistique ont été développés afin de prédire la probabilité que les puits municipaux, dépassent des seuils établis de contamination. Trente-sept (37) modèles de régression logistique ont été créés selon différentes façons de définir des épisodes de contamination. Les variables qui ressortent régulièrement significatives sont : la proportion des terres occupées par l'agriculture, le potentiel agricole des sols, la présence de dépôts superficiels peu profonds et finalement la combinaison de la proportion des terres agricoles et les conditions de drainage. Les modèles développés peuvent être utilisés par les gestionnaires du territoire comme outils d'aide à la décision. Par contre ils comportent des limites et pourraient être améliorés dans le futur.

Cette thèse porte sur la variabilité spatio-temporelle de sous-produits chlorés de la désinfection (SPD), plus spécifiquement les trihalométhanes (THM) et les acides haloacétiques (AHA), ainsi que du temps de séjour (TDS) dans un réseau de distribution en eau potable (RDEP) à l’échelle du quartier résidentiel. La réalisation de cette thèse a nécessité l’étude d’un secteur résidentiel du RDEP de la ville de Québec ayant une aire d’environ 2 km2 et habitée par près de 6000 citoyens. Le premier chapitre est une revue de littérature abordant le chlore résiduel libre ainsi que les concentrations en SPD dans les RDEP, le suivi de la qualité de l’eau, la modélisation des TDS et l’impact du vieillissement et de la réhabilitation des conduites des RDEP sur le TDS et la qualité de l’eau. Le deuxième chapitre porte spécifiquement sur l’analyse de la variabilité spatio-temporelle du chlore résiduel libre, des THM, des AHA et du TDS. Une dimension dominante est identifiée entre les aspects spatial et temporel de la variabilité pour le chlore et les SPD à l’aide de modèles linéaires mixtes généralisés. Ensuite, le potentiel du TDS comme indicateur de la qualité de l’eau au niveau du chlore résiduel libre, des THM et des AHA est analysé par un test des rangs signés de Wilcoxon. Dans le troisième chapitre, une analyse de sensibilité des TDS est effectuée en considérant différents scénarios hydrauliques. Les scénarios considérés sont un vieillissement additionnel ainsi que la réhabilitation des conduites afin d’évaluer leur effet sur le TDS par rapport à un scénario de référence représentant le meilleur état de connaissance du secteur étudié. Une mise en perspective de ces effets sur le TDS par rapport à la concentration en chlore résiduel libre est aussi effectuée. Finalement, l’impact de l’incertitude des paramètres hydrauliques (diamètre, coefficient de rugosité, demandes en eau) sur les TDS est étudié par des simulations Monte-Carlo. / The objective of this thesis is to evaluate the spatial and temporal variability of chlorinated disinfection by-products (DBPs), more specifically trihalomethanes (THM) and haloacetic acids (HAA), and the residence time of water (RT) in a water distribution network (DN) on the scale of a residential neighborhood. A specific residential area in the DN of Quebec City was chosen in order to conduct this study. This area covers approximately 2 km2 and is inhabited by nearly 6000 citizens. The first chapter of this thesis is a literature review addressing free residual chlorine as well as THMs and HAAs concentrations in DNs, monitoring of water quality, modeling of RT and the impact of aging and rehabilitation of pipes on RT and water quality. The second chapter focuses specifically on the analysis of the spatial and temporal variability of free residual chlorine, THMs, HAAs and RT. This variability is studied and a dominant dimension between the spatial and temporal aspect is identified for residual chlorine, THMs and HAAs using generalized linear mixed models. Then, the potential of RT as a water quality indicator for residual chlorine, THMs and HAAs is analyzed by a Wilcoxon signed ranks test. In the third chapter, a sensitivity analysis of RT is performed with different hydraulic scenarios. The scenarios considered are additional aging and rehabilitation of pipes to assess the effect on RT relative to a reference scenario representing the best state of knowledge of the studied area. The effects on RT are also studied in the context of their potential impact on free residual chlorine concentrations. Finally, the impact of the uncertainty of hydraulic parameters (diameter, roughness factor, water demand) on RT is investigated with Monte-Carlo simulations.

La pomme de terre est l’un des principaux légumes et constitue un aliment de base dans l’alimentation mondiale. Les impacts du stress hydrique sur la pomme de terre sont généralement sévères; affectant son fonctionnement physiologique et en bout de compte la quantité et la qualité de ses tubercules. Ce travail a pour objectif d’étudier l’effet de plusieurs régies d’irrigation sur le temps de reprise des activités physiologiques de la pomme de terre et son rendement. Des traitements d’irrigation dont un Témoin (-20 kPa en continu), un seuil de potentiel matriciel du sol Sec (-40) et un Très-sec (-60) ont été appliqués aux plantes pendant des périodes de 1, 3 et 7 jours (Jr). Des paramètres ont été analysés pour suivre l’évolution de la réponse physiologique et les rendements ont été modélisés en fonction du stress pour estimer son impact sur la production. Pour Sec-1Jr, aucune différence significative de rendement n’a été observée en comparaison au Témoin. Une plus grande efficience d’utilisation de l’eau est observée pour Sec-1Jr puisqu’il consomme 10% moins d’eau. Une baisse des activités physiologiques a été enregistrée pour Sec-1Jr mais la récupération complète a été faite en moins d’une journée. Les plantes les plus stressées (Sec-7Jr et Très-sec–7 Jr) n’ont pas pu complètement récupérer. À l’exception de Sec-1Jr, les pertes de rendement sont sévères et ont été modélisées en fonction de l’indice de déficit hydrique (WDI). Des valeurs de WDI supérieures à 0.78 ont produit des pertes significatives de rendement par rapport au Témoin. En fonction de sa sévérité et sa durée, le stress hydrique influe considérablement sur le rendement de la pomme de terre et sa capacité de récupération après le réhumidification du sol. / Potato is one of the most important legumes and constitutes a dominant portion of the global diet. However, water stress affects the physiological activities, as well as the quantity and quality of the potato tubers. In this study, we evaluated the effect of several irrigation regimes on the recovery time of potato physiological activities and yield. The treatments investigated were by -40 (Dry) and -60 kPa (Very Dry) of soil matric potential (SMP) across three stress periods of 1 (1D), 3 (3D) and 7 (7D) days. A control treatment was included, which consisted in maintaining a SMP of -20 kPa during the experiment. Results showed a complete recovery of potato plants for the treatment consisting in applying a SMP of -40 kPa during 1 day, when compared with plants in the control treatment. Although a decrease in physiological activities was observed, potato plants consumed 10% less water in this scenario. Other treatments showed yield losses, especially the treatments under 7 days, where plants did not fully recover. Based on the results of yield loss and water stress, a Water Deficit Index (WDI) model was proposed. WDI values greater than 0.78 produced significant yield losses compared to the control. Depending on the severity and duration, water stress considerably influenced the potato yield and the capacity to recover after re-watering.

La qualité des sources d'eau potable est progressivement affectée par des pressions naturelles et anthropiques. Pour réduire les effets de ces pressions sur la production d'eau potable, les municipalités doivent intensifier leurs efforts de surveillance spatiale et temporelle de la qualité des sources d'eau et améliorer le traitement de l'eau. Les températures des cours d'eau et les précipitations changent en raison des changements climatiques et de la variabilité des patrons météorologiques. Les pluies peuvent entraîner des changements rapides de la qualité de l'eau brute des usines de traitement d'eau (UTE) en raison du transport des contaminants qui résulte de l'écoulement des eaux de pluie dans les bassins versants. Pendant ces événements pluvieux, des paramètres cruciaux de la qualité de l'eau brute pour les opérations du traitement de l'eau, tels que la turbidité et la teneur en matière organique naturelle (MON), peuvent varier considérablement. Ces changements dans la qualité de l'eau brute nécessitent des modifications opérationnelles du traitement de l'eau, telles que des ajustements des doses de coagulants et de désinfectants pour maintenir la qualité de l'eau traitée. Le délai entre un évènement de pluie et la variation de la qualité de l'eau à l'entrée de l'UTE que cela induit, et les temps de réaction à ces évènements avec les approches traditionnelles, augmentent les risques de moins bonnes performances de traitement de l'eau. Le premier objectif de cette thèse est de développer des modèles pour prévoir les variations de la qualité de l'eau brute, particulièrement après des événements de pluie, en se basant sur des données hydrologiques et météorologiques. L'autre objectif est de développer des modèles pour prédire la qualité de l'eau traitée à l'UTE en fonction des conditions de traitement de l'eau et de la qualité de l'eau brute. La thèse comprend six chapitres qui présentent l'état de l'art sur le sujet, les méthodologies et les procédures proposées pour la modélisation, et la démarche utilisée pour le développement et l'application des modèles pour des cas réels en utilisant des données météorologiques, hydrologiques, et de la qualité de l'eau brute alimentant des UTE. Une revue critique de la littérature a permis d'identifier les lacunes concernant les connaissances en matière de modélisation et de prédiction de la qualité de l'eau brute à des fins de traitement de l'eau. Pour combler ces lacunes, une méthodologie a été proposée pour calculer les décalages temporels globaux entre le moment où une pluie se produit, le moment où le débit d'une rivière réagit, en tant que réponse hydrologique à la pluie, et le moment où les paramètres de qualité de l'eau se dégradent. Différents modèles d'apprentissage automatique simples et d'ensemble ont été développés pour modéliser et prédire des paramètres cruciaux de la qualité de l'eau brute, en utilisant des informations hydrologiques et météorologiques. Les modèles développés ont permis de tester avec succès la méthodologie d'estimation des temps de décalage entre les variables, ainsi que de faire des prédictions des variations de la turbidité et de la MON dans l'eau, en particulier après des événements pluvieux. Globalement, les changements de la qualité de l'eau brute se produisent une demi-journée après les pics de débit de rivière (déclenchés par les évènements pluvieux) pour la turbidité (particules fines) et entre 4 à 6 journées après ces pics, pour l'absorbance UV à 254 nm (MON). Avec ces délais estimés, des variables prédicteurs mieux corrélées avec les paramètres de qualité de l'eau brute (turbidité et UV254) ont été trouvées. Les modèles d'apprentissage automatique ont démontré des bonnes capacités pour prédire la qualité de l'eau brute avec un pas de temps horaire. Ces modèles ont permis de faire des prédictions de qualité de l'eau brute en n'utilisant que des variables hydrologiques et météorologiques. Cette méthodologie ainsi que ces prédictions pourraient faire partie de systèmes d'alerte précoce du genre « évènement de pluie - traitement de l'eau » pour améliorer la gestion de la qualité de l'eau potable dès le bassin-versant. Finalement, en utilisant les capacités prédictives des algorithmes d'apprentissage automatique simples et d'ensemble, des modèles de prédiction du pH de coagulation, de l'UV à l'eau filtrée et de l'abattement de l'UV ont été développés. Ces modèles pourraient permettre aux opérateurs d'évaluer virtuellement et rapidement les performances de différentes conditions d'opération. Ces outils de modélisation ouvrent ainsi la porte à une mise en œuvre future de modèles prédictifs de doses de coagulants, en utilisant des informations sur la qualité de l'eau brute et les objectifs de traitement de l'UTE. / The quality of drinking water sources is progressively affected by natural and anthropogenic pressures. To evaluate and reduce these pressures, increased efforts are required by municipalities for spatio-temporal monitoring and surveillance of water quality and water treatment operation. Trends in temperatures and precipitation patterns are changing as a result of climate change and the variability of meteorological characteristics. Rainfall leads to rapid changes in raw water quality due to rainfall-runoff processes in watersheds. During these events, key parameters of raw water quality for drinking water treatment, such as turbidity and natural organic matter (NOM), can vary considerably. These types of changes in raw water quality require modifications in water treatment operations, such as adjustments in coagulant and disinfectant dosages, to maintain the production of safe treated water. In addition, operators of drinking water treatment plants (DWTPs) have to deal with temporal delays between the occurrence of a rainfall event and the moment when raw water quality begins to change, as well as delays between the moment they become aware of such changes and the moment when corrective actions are implemented. The objective of this thesis is to develop models to predict variations in raw water quality during and after rainfall events and to predict water treatment performances, based on hydrological and meteorological data at watershed scale, and data from raw water quality, and operational parameters of the DWTP. The thesis consists of six chapters which present the state of the art on the subject, the methodologies and procedures proposed for modeling, and the approach for the development and application of models for real cases. A critical review of the literature allowed for the identification of gaps in the knowledge regarding modeling and prediction of raw water quality for treatment purposes. To fill these gaps, a methodology was proposed to calculate the overall lag times between the occurrence of rainfall, represented by rainfall time series, the moment when the river flow reacts as a hydrological response to rainfall, represented by river flow rate time series, and the moment when water quality parameters change. Several simple and ensemble machine learning models were developed to predict key parameters of raw water quality, using hydrological and meteorological information. The developed models allowed testing the lag time estimation methodology between variables especially after rainfall events. Globally, raw water quality changes are produced half-day after river flow peaks (triggered by rainfall events) for turbidity (representing particles) and between 4 to 6 days after, for UV absorbance at 254 nm (representing NOM). This methodology and these calculated time-lags allow to find best correlated predictor variables with raw water quality variables (turbidity and UV254). Machine learning models show optimal capabilities for predicting raw water quality variables with an hourly time step. Moreover, these models showed skills for predicting raw water quality variables using only hydrological and meteorological information. This methodology and the predictions could be a part of a special kind of early warning system (EWS) called, Weather Event - Water Treatment, to enhance drinking water management starting in the watershed. Finally, by using the predictive capabilities of simple and ensemble machine learning algorithms, prediction models for coagulation pH, UV in filtered water, and UV reduction have been developed. Modeling coagulation pH and treatment efficiency, like the NOM removal measured in filtered water, may enable operators of DWTP to virtually and quickly assess the performance of different operating conditions. This opens the opportunities for future implementation of predictive models for coagulant dosages, using information on raw water quality and treatment objectives of DWTP.

La technique de photocatalyse solaire offre une solution prometteuse pour une élimination efficace des polluants pharmaceutiques émergents comme les antibiotiques dans les eaux usées. Les matériaux photocatalytiques à base de semi-conducteurs jouent un rôle crucial dans la dégradation complète de ces nouveaux polluants pharmaceutiques. À ce propos, de nouveaux photocatalyseurs nanocomposites ont montré une performance catalytique importante par rapport aux photocatalyseurs classiques dans la dégradation des antibiotiques dans l'eau. Ces photocatalyseurs nanocomposites surmontent des défis notamment une photo-absorption insuffisante, une mauvaise séparation de charge, un transfert de charge lent, une recombinaison de charge importante, une mauvaise réaction de surface, une stabilité faible et une récupération difficile. Dans ce contexte, nous avons développé des hybride matériaux photocatalytiques nanostructuré et nanocomposite tout en exploitant leur performance pour la dégradation des antibiotiques sous la lumière solaire. Un nouveau matériau de pérovskite ferroélectrique à base de bismuthate de calcium (CaBiO₃) nanostructuré avec une disproportion de différentes multicharges Bi³⁺ et Bi⁵⁺, a été développé via des méthodes de complexation de glycine et d'échange d'ions. La disproportion efficace obtenue de charge Bi³⁺/Bi⁵⁺ et l'arrangement bien organisé du cristal octaédrique de BiO₆ ont offert une photo-absorbance efficace du visible ainsi qu'une photogénération et une séparation importante de porteurs de charge dans CaBiO₃. En outre, les matériaux CaBiO₃ développés présentent une nanostructure avec une surface spécifique plus élevée qui offre des propriétés de surface améliorées en faveur de la réaction catalytique. De plus, les matériaux à base de CaBiO₃ sont étudiés pour la dégradation des antibiotiques de ciprofloxacine et de tétracycline sous la lumière solaire. Un nanocomposite efficace de BiVO₄-APS-C₆₀ a été développé en intégrant les nanoparticules C₆₀ fonctionnalisées par aminosilicate à la surface de nanocouches ultrafines de BiVO₄. L'intégration de C₆₀ sur BiVO₄ a élargi l'absorption de la lumière dans le domaine du visible et a également offert une génération et une séparation efficaces des porteurs de charge photo-induits. En fait, l'aminosilicate a établi une forte interaction interfaciale entre C₆₀ et BiVO₄, ce qui a fourni un transfert de charge efficace et une stabilité remarquable du composite BiVO₄-APS-C₆₀. Par conséquent, BiVO₄-APS-C₆₀ a montré une activité photocatalytique beaucoup plus élevée vis-à-vis la dégradation de ciprofloxacine sous irradiation solaire. Le nanocomposite Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 a été développé par l'incorporation de NH₂-UiO-66 sur Bi₂WO₆ ayant une forme micro/nanoflorale dans le but d'améliorer l'activité photocatalytique pour la dégradation de ciprofloxacine sous l'irradiation de la lumière solaire. L'activité photocatalytique améliorée, expliquée par la formation d'une hétérojonction avec un fort contact interfacial entre Bi₂WO₆ et NH₂-UiO-66, a permis d'élargir le domaine d'absorption lumineuse, de réduire la recombinaison de paires électron-trou photo générées et d'accélérer le transfert des porteurs de charges. L'hétérojonction Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 suit le mécanisme de transfert de charge de type Z-schème et possède des sites hautement réactifs offrant une forte propriété redox au composite Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66. / The solar photocatalytic technique is a promising solution for the effective removal of antibiotics, which are emerging pharmaceutical pollutants in water and wastewater. The semiconductor based photocatalytic materials plays crucial role in achieving the complete degradation of these pharmaceutical pollutants. In this direction, the design of nanostructured hybrid photocatalysts shows superior catalytic performance as compared to the conventional photocatalysts towards the effective degradation of antibiotic molecules in water. These nanostructured hybrid photocatalysts overcome the limitations of weak photoabsorption, poor charge separation, slow charge transfer, high charge recombination, limited surface reaction, lesser stability and difficult recovery. In this context, we have developed potential nanostructured and nanocomposite photocatalytic materials and explored their performance in degradation of antibiotics under solar light. Novel ferroelectric perovskite material, nanostructured calcium bismuthate (CaBiO₃) with distinct Bi³⁺ and Bi⁵⁺ multi-charge disproportion was developed via glycine-complexation and ion-exchange methods. The efficient Bi³⁺/Bi⁵⁺ charge disproportion and well-organized BiO₆ octahedral crystal arrangement provided an enhanced visible photo-absorbance and higher charge carrier generation and separation to CaBiO₃ system. The developed CaBiO₃ materials exhibited nanostructure with higher surface area which provided enhanced surface properties for catalytic reactions. Moreover, the developed CaBiO₃ materials were potentially explored for degradation of ciprofloxacin and tetracycline antibiotic drugs under solar light. An efficient BiVO₄-APS-C₆₀ nanocomposite was developed by integrating aminosilicate functionalized C₆₀ nanoparticles on the surface of ultrathin BiVO₄ nanolayers. The integration of C₆₀ on BiVO₄ broadened the light absorption spectrum in the visible light range and offered an enhanced generation and separation of the photoinduced charge carriers. The aminosilicate group established a strong interfacial interaction between C₆₀ and BiVO₄, which provided remarkable charge transfer efficiency and stability for BiVO₄-APS-C₆₀ composite. The as-synthesized BiVO₄-APS-C₆₀ displayed high photocatalytic activity towards ciprofloxacin degradation under solar light irradiation. Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 nanocomposite was designed incorporating NH₂-UiO-66 with Bi₂WO₆ micro/nanoflower for enhanced photocatalytic activity towards ciprofloxacin degradation under solar light irradiation. The improved photocatalytic activity attributed to the formation of heterojunction with strong interface contact between Bi₂WO₆ and NH₂-UiO-66, broadened the photoabsorbance range, reduced photogenerated electron-hole pair recombination, and accelerated charge carrier transfer. The Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 heterojunction follows Z-scheme charge transfer mechanism with high surface reactive sites providing strong redox property to Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 composite.