Les capteurs distribués qui font appel à des réseaux de Bragg inscrits dans des fibres optiques multicœurs sont de plus en plus utilisés pour mesurer différents paramètres physiques délocalisés. En utilisant l'information qui provient de chacun des cœurs de la fibre, il est possible de reconstruire sa forme tridimensionnelle, ce qui trouve actuellement de nombreuses applications innovantes, notamment en robotique et dans le domaine médical. Dans le cadre du programme Sentinelle Nord, le principal objectif de mon projet de maîtrise était de développer de tels capteurs pour le suivi des impacts du dégel du pergélisol dans les régions nordiques. Deux applications avaient initialement été ciblées. La première application consistait à mesurer la vitesse (et la direction) des écoulements d'eau souterraine qui jouent un rôle important dans la transmission de chaleur et qui doivent être considérés dans la modélisation numérique des processus physiques pour simuler la dynamique du pergélisol. La deuxième application consistait à suivre les tassements au dégel du pergélisol en reconstruisant le profil 3D d'un capteur à fibre optique qui y serait enfouie. Un modèle théorique de leur sensibilité à un écoulement d'eau a été développé et a permis de conclure que la vitesse des écoulements d'eau souterraine typiques était beaucoup trop faible pour être mesurée. Afin de s'attaquer à la seconde application, nous avons développé une nouvelle technologie de fibre multicœur où 3 fibres optiques ont été assemblées dans une préforme microstructurée en polycarbonate en l'étirant directement sur une tour à fibre. La caractérisation des réseaux de Bragg de cette fibre hybride verre-polymère a montré qu'elle est 7 fois plus sensible que les fibres optiques multicœurs traditionnelles. Les développements réalisés pour cette seconde application ont fait l'objet d'une publication d'un article scientifique dans le journal Optics Express. Dans le cadre de ce projet, et en parallèle à ces travaux, une méthode flexible d'inscription de réseaux de Bragg distribués sur une fibre optique avec un seul masque de phase uniforme a été développée. Grâce à cette méthode, une accordabilité record de 70 nm, soit plus de 15 fois supérieure à tout ce qui a été obtenu auparavant, a été atteinte. / Fiber Bragg gratings distributed sensors in multicore fibers are gaining popularity for remote sensing of physical parameters. By measuring the information from each of its cores, its shape can be reconstructed which has numerous novel applications in robotic and the medical field. As part of the Sentinel North program, the principal goal of my research project was to develop such distributed sensors to monitor the impacts of permafrost degradation in Northern Quebec. Two applications were targeted : 1) the measurement of groundwater flow and its direction which play a major role in heat transfer and need to be considered in numerical modelling of permafrost dynamics and 2) the monitoring of thaw settlement of degrading ice rich permafrost using buried optical fiber with distributed fiber Bragg gratings. A theoretical model of the sensitivity of these sensors to measure groundwater flow was developed and led to the conclusion that the groundwater flow is too small to be detected with a multicore fiber. For the second application, a novel multicore fiber was developed where 3 optical fibers are assembled inside a microstructured polycarbonate preform by drawing it on a draw tower. The characterization of the resulting hybrid glass-polymer multicore fiber showed a sensitivity 7 times higher than standard multicore fibers. These findings were published in the journal Optics Express. In this research project, at the same time, a flexible method to write distributed arrays of fiber Bragg gratings with a single uniform phase mask was developed. A 70 nm accordability, which is more than 15 times higher than anything previously reported, was achieved with this method.

Le Québec est le théâtre de nombreux glissements de terrain chaque année. Ces glissements de terrain peuvent être une menace pour les vies humaines ainsi que pour les infrastructures comme l'ont démontré l'évènement de Saint-Jean-Vianney en 1971 ayant causé la mort de 31 personnes ainsi que celui de Saint-Jude en 2010 ayant causé la mort de quatre personnes. Les glissements de terrain peuvent être influencés par le climat, mais des études récentes démontrent que le lien entre climat et stabilité des pentes est encore flou et méconnu. Une meilleure compréhension entre les évènements climatiques et les glissements de terrain est donc nécessaire. L'objectif de la présente étude est d'évaluer, par modélisation numérique, les conséquences de la variation des précipitations sur l'écoulement de l'eau souterraine et la stabilité d'une pente argileuse située dans le secteur de Saint-Luc-de-Vincennes dans un contexte de changements climatiques. Ces conséquences sont la variation de la recharge en sommet de talus, la variation du niveau d'eau dans la rivière Champlain à la base de la pente ainsi que l'érosion par cette même rivière à la base de la pente. Pour ce faire, une pente du secteur a été modélisée à l'aide des logiciels SEEP/W et SLOPE/W en régimes permanent et transitoire de manière à obtenir des charges hydrauliques semblables à celles observées sur le terrain. Les données de charges hydrauliques sur le terrain ont été mesurées à partir de trois nids de piézomètres contenant chacun quatre piézomètres à différentes profondeurs. Une fois le modèle de base bien calibré, les trois conséquences à l'étude ont pu être évaluées en modifiant les conditions limites et la géométrie du modèle. La variation de la recharge a été évaluée en faisant varier la condition de recharge en sommet de talus et dans la pente, la variation du niveau d'eau dans la rivière a été testée en faisant varier la condition de charge à la base de la pente au niveau de la rivière et l'érosion a été testée via deux géométries d'érosion. Les résultats de cette étude montrent que l'augmentation de la recharge ainsi que l'érosion ont un effet négatif sur la stabilité de la pente, tandis que la variation du niveau d'eau dans la rivière a un effet qui peut être positif et négatif. C'est cette dernière variable qui a d'ailleurs le plus d'effet sur la stabilité de la pente, suivi par l'érosion et la variation de la recharge. De récentes études indiquent que les précipitations et les évènements de précipitation devraient augmenter dans les années à venir dans l'est du Canada tandis que les débits moyens des rivières du sud du Québec devraient augmenter en hiver et diminuer au printemps, en été et à l'automne. Ces changements influenceront les dynamiques de recharge, de variation du niveau d'eau dans les rivières et d'érosion. Il est donc attendu que la stabilité de la pente à l'étude en soit influencée négativement.

Cette thèse s’intéresse à l’intégration de l’eau souterraine dans la planification territoriale. Elle vise à identifier les blocages à la prise en compte de l’eau souterraine en aménagement du territoire, à comprendre les moyens d’appropriation des données hydrogéologiques par les intervenants en aménagement du territoire et à développer des stratégies pour faciliter l’incorporation de l’eau souterraine en aménagement du territoire. Le premier chapitre présente les résultats d’une enquête effectuée en Amérique du Nord auprès de producteurs d’informations hydrogéologiques, ainsi que des exemples d’intégration de l’eau souterraine en aménagement du territoire. L’enquête confirme que le passage des données hydrogéologiques vers la planification territoriale est problématique dans la majorité des territoires. Dans le deuxième chapitre, des entretiens auprès d’intervenants en aménagement du territoire montrent que l’eau souterraine n’est que très peu intégrée dans la planification territoriale au Québec. Des obstacles à la prise en compte de l’eau souterraine ont été identifiés : difficulté d’interprétation des données, manque de coordination entre les niveaux de gouvernement, diffusion inadéquate des données, manque de connaissances des aménagistes sur l’eau souterraine et manque de sensibilisation à la vulnérabilité de cette ressource. Quatre actions sont proposées : une campagne de sensibilisation, un cadre légal indiquant qui doit protéger l’eau souterraine et comment, des formations pour les intervenants en aménagement du territoire et le développement d’une méthodologie pour faciliter l’interprétation des données hydrogéologiques. Le chapitre 3 propose une méthodologie d’évaluation du risque de contamination de l’eau souterraine. Cette méthodologie, développée lors de rencontres avec des spécialistes de plusieurs disciplines, intègre des données sur l’eau souterraine et sur l’aménagement du territoire à l’aide de la méthode d’analyse multicritère MACBETH. Finalement, le quatrième chapitre présente un outil cartographique en ligne nommé ATES (pour Aménagement du Territoire et Eau Souterraine), qui permet aux intervenants en aménagement du territoire d’appliquer la méthode d’évaluation du risque. Ils peuvent ainsi identifier des secteurs où l’eau souterraine est particulièrement menacée ou analyser de nouveaux scénarios d’aménagement en fonction de leur impact sur le risque de contamination de l’eau souterraine. ATES suggère également des mesures de mitigation pour minimiser le risque de contamination de l’eau souterraine. Mots-clés: Eau souterraine, aménagement du territoire, planification durable, gestion de l’environnement naturel, outils d’aide à la décision, analyse multicritère, MACBETH, outil cartographique en ligne / This thesis focuses on the integration of groundwater into land planning. It aims at identifying obstacles to considering groundwater in land planning, understanding the current appropriation of groundwater data by land planners, and developing strategies to facilitate the integration of groundwater into land planning. The first chapter of this thesis presents the results of a survey conducted among North American hydrogeological information producers. The survey confirms that problems associated with the use of hydrogeological data in regional planning are present in most states and provinces. Successful examples of groundwater integration into regional planning are also discussed. The second chapter draws a portrait of the situation in Quebec. Interviews with land planning stakeholders in two regions of Quebec reveal that groundwater is seldom integrated into land planning documents. Common obstacles to considering groundwater are identified, notably difficulties with the interpretation of the data, lack of coordination in resource management between different levels of government, poor diffusion of the data, planners’ lack of knowledge about groundwater and unawareness of the resource’s vulnerability. Four types of action are proposed to overcome these obstacles: an awareness campaign targeting the general public, a legal framework specifying who should protect groundwater and how, training for land planners, and the development of a methodology to facilitate the interpretation of hydrogeological data. Chapter 3 takes a closer look at this last recommendation and proposes a methodology for the evaluation of groundwater contamination risks. This methodology, developed through multiple meetings with specialists from various disciplines, integrates groundwater and land planning data using the MACBETH multi-criteria analysis method to produce maps to ascertain the risk of groundwater contamination through land use. Finally, the fourth chapter presents a Web-based cartographic tool, known as ATES, that allows land planning stakeholders to implement the risk evaluation method in their territory. Thus, planners can identify areas where groundwater is particularly threatened and analyze new planning scenarios on the basis of their impact on groundwater contamination risks. ATES also suggests mitigation measures to minimize the risk of groundwater contamination. Keywords: Groundwater, land planning, sustainable planning, natural environment management, decision aid tools, multi-criteria analysis, MACBETH, web-based cartographic tool

Un modèle numérique bidimensionnel a été développé afin d’évaluer l’impact de l’écoulement d’eau souterraine sur la dynamique du pergélisol dans un contexte de réchauffement climatique au Québec nordique. Le modèle conceptuel développé concerne une butte de pergélisol située dans la zone de pergélisol discontinu à proximité de la communauté Inuite d’Umiujaq, Nunavik, Québec. Le pergélisol s’est mis en place dans une unité gélive de silts marins qui se trouve audessus de deux unités de sédiments grossiers de sable et de gravier d’origine fluvio-glaciaire et glaciaire qui forment un aquifère confiné par l’unité de silts et le pergélisol où il y a un écoulement d’eau souterraine. Le code numérique HEATFLOW a été utilisé pour simuler l’écoulement d’eau souterraine couplé à la transmission de chaleur par conduction et advection le long d’une coupe 2D orientée dans la direction de l’écoulement de l’eau souterraine au droit de la butte de pergélisol étudiée. En premier lieu, le modèle a été étalonné manuellement à partir de profils de température mesurés dans la butte au cours des 10 dernières années à l’aide de câbles à thermistances et en tenant compte des flux de chaleur mesurés près de la surface du sol. En second lieu, une deuxième simulation a été réalisée en ne considérant que la transmission de chaleur par conduction et en négligeant ainsi l’écoulement d’eau souterraine. La comparaison entre ces deux simulations révèle le rôle important de l’écoulement d’eau souterraine sur la dynamique du pergélisol à Umiujaq. En effet, cet écoulement transporte l’eau plus chaude des zones de recharge vers l’aquifère confiné, ce qui contribue à réchauffer significativement le système en comparaison avec le cas sans écoulement. Une couche de pergélisol beaucoup plus mince est simulée lorsque l’écoulement d’eau souterraine est considéré dans la modélisation numérique. En outre, selon les résultats des simulations, l’énergie se dissipe le long de la ligne d’écoulement d’eau souterraine sous la base du pergélisol ce qui réduit sensiblement les températures du sol et de surface à proximité des zones de résurgence de l’eau souterraine le long d’un ruisseau en comparaison avec les zones de recharge. Finalement, en troisième lieu, le comportement futur du système simulé sous l’effet des changements climatiques est ensuite prédit en générant un scénario de réchauffement climatique selon une augmentation constante de la température de l’air et des précipitations. Les résultats des simulations suggèrent une dégradation du pergélisol par la base à un taux de 80 cm par année, et par le toit à un taux de 12 cm par année, jusqu’à la disparition complète du pergélisol dans le site d’étude d’ici 2040. / A 2D numerical model has been developed to assess the impacts of groundwater flow on permafrost dynamics under a warming climate in northern Québec. The conceptual model developed herein focuses on a small permafrost mound located in the discontinuous permafrost zone near the Inuit community of Umiujaq, Nunavik, Québec. At the study site, permafrost is found in marine silt overlying a deep confined sand and gravel aquifer with active groundwater flow. To better understand the cryo-hydrogeological system, the HEATFLOW numerical code was used to simulate coupled groundwater flow and heat transport by conduction and advection along a 2D cross-section through the permafrost mound and oriented along the assumed direction of groundwater flow. The model was first calibrated manually using temperature profiles in the permafrost mound measured along thermistor cables over the past 10 years and using observed heat fluxes near the ground surface. A second simulation was then performed assuming only conductive heat transfer and neglecting groundwater flow. A comparison between both simulations reveals the important role of groundwater flow on permafrost dynamics at the Umiujaq site. As groundwater flow brings warmer water from recharge areas into the deep confined aquifer, it contributes significantly to warming of the system relative to conduction alone, and significantly decreases permafrost thickness. However, the simulation showed that thermal energy is also lost along the flowpath below the permafrost base which induces a cooling in the discharge areas in comparison to the recharge areas. The future system behavior is then predicted by taking into account a climate change scenario based on increases in temperature and precipitation. The predictive simulation suggests that permafrost will thaw from the base at a rate of about 80 cm per year, and from the permafrost table at a rate of 12 cm per year, until completely thawed by about 2040.

Awareness of groundwater protection has increased substantially in recent decades. In the Province of Québec, Canada, the Groundwater Catchment Regulation (GWCR) was promulgated in 2002 to protect water quality in public wells. The goal of the present study was to document groundwater protection in the context of emerging regulations and to identify factors explaining the propensity of municipalities applying protection strategies. Two types of information were used in this study: data from a questionnaire-based survey conducted among 665 municipalities in the Province of Québec and complementary information gathered from various sources. Data from the survey revealed that fewer than half of the municipalities have been able to comply with the GWCR, mainly because of financial limitations. Also, close to half of the municipalities have either identified or are expecting land use conflicts to arise between protection areas required by the GWCR and other land usage, with agriculture being the main conflicting activity. Multivariate logistic regression models served to identify factors explaining the likelihood of municipalities to take groundwater protection measures. Those factors were municipality revenue, history of water contamination in distribution Systems, land use near wellheads, location of municipalities within a provincial priority watershed and the importance of groundwater use in a region. Results of the study may prove helpful for government authorities in better understanding the groundwater protection issue and in implementing strategies that improve the ability of municipalities to protect groundwater. / Les préoccupations au regard de la protection des sources d'eau souterraine ont grandement augmenté dans les dernières décennies. Dans la province de Québec, Canada, le Règlement sur le captage des eaux souterraines (RCES) est entré en vigueur en 2002 pour protéger la qualité de l'eau des ouvrages de captage municipaux. L'objectif de la présente étude était de documenter la protection de l'eau souterraine dans un nouveau contexte réglementaire et d'identifier des facteurs expliquant la propension des municipalités à appliquer des mesures de protection de l'eau souterraine. Deux types de données ont été utilisés dans cette étude : les données d'une enquête réalisée auprès de 665 municipalités de la province de Québec et de l'information complémentaire provenant de sources diverses. Les résultats de l'enquête montrent que moins de la moitié des municipalités ont réussi à se conformer au RCES, majoritairement en raison d'un manque de ressources financières. De plus, environ la moitié des municipalités ont identifié ou anticipent des conflits d'usage entre les aires de protection prescrites par le RCES et les autres formes d'utilisation du sol, l'agriculture étant la principale activité conflictuelle. Des modèles multivariés de régression logistique ont permis l'identification de facteurs pouvant expliquer la propension des municipalités à adopter des mesures de protection de l'eau souterraine. Ces facteurs sont: le revenu des municipalités, l'historique de contamination des systèmes de distribution, l'utilisation du sol à proximité des captages, la localisation des municipalités à l'intérieur de bassins versants prioritaires et l'importance de l'utilisation de l'eau souterraine dans la région. Les résultats de cette recherche seront utiles pour les autorités gouvernementales pour mieux comprendre la problématique de la protection de l'eau souterraine au Québec et pour favoriser des stratégies qui améliorent la capacité des municipalités à protéger les sources d'eau souterraine.

Ce mémoire de maîtrise introduit une nouvelle méthodologie de conception et d’optimisation techno-économique de systèmes géothermiques qui tient compte des écoulements souterrains. Une revue de littérature est complétée et la problématique est définie en s’appuyant sur les manques à combler au niveau des procédures de dimensionnement actuelles. La nouvelle procédure de dimensionnement inclut, entre autre, les données hydrogéologiques, les charges thermiques du bâtiment et les coûts du système géothermique. De plus, elle améliore les méthodologies actuelles en incluant une approche analytique pour la modélisation des écoulements souterrains lors de la simulation du champ de puits géothermiques. La méthodologie de recherche est présentée, y compris la stratégie d'optimisation, les fonctions G utilisées lors de la simulation énergétique et les défis rencontrés au cours de cette maîtrise. Les fonctions G sont calculées avec deux modèles analytiques: source cylindrique infinie et source linéique finie mobile. Une nouvelle simplification mathématique pour l'intégration des fonctions G dans la routine d'optimisation est démontrée, ce qui permet de réduire considérablement le temps de calcul (jusqu'à 25%), en plus de constituer un nouvel ajout aux méthodologies actuelles utilisant des fonctions G. Les procédures de test et l'analyse de la convergence sont également discutées. La nouvelle méthode de dimensionnement comprend le calcul des coûts initiaux et opérationnels. Des variables de conception optimales (profondeur de forage, distance entre les trous de forage consécutifs, etc.) et des aménagements de champ de puits (nombre de puits dans la direction x) sont présentés pour différentes valeurs de conductivité thermique du sol et de vitesse d’écoulement des eaux souterraines. En outre, une étude paramétrique est réalisée pour mesurer l’impact de l’écoulement des eaux souterraines par rapport au champ de puits sur l'aspect économique du projet. Une comparaison simultanée des coûts initiaux et opérationnels est également effectuée, ce qui permet de fournir des notions intéressantes pour les processus de conception à critères multiples. Enfin, les conceptions optimisées sont testées en dehors des conditions d’opération nominales. / This master’s thesis introduces a new sizing methodology for ground coupled heat pump (GCHP) systems which takes into account groundwater flow in order to achieve a technoeconomic optimization of the total cost of the project. A literature review is presented and the problem is defined in order to show missing elements from current GCHP sizing procedures. The new sizing procedure includes hydrogeological data, building thermal loads, and GCHP system costs, while improving actual design methodologies by including an analytical approach for groundwater flow in the heat transfer simulation of the borefield. The research methodology is presented, including the optimization strategy, the G-functions used during energy simulations, and the challenges encountered during this master’s degree. The G-functions are calculated with two analytical models: infinite cylinder source (ICS) and moving finite line source (MFLS). A new mathematical simplification for the integration of G-functions in the optimization routine is derived, which considerably reduces computational time (by up to 25%) and is a new addition to current methodologies using G-functions. Testing procedures and a convergence analysis are also discussed. The new sizing methodology includes the calculation of the initial and the annual operational costs. Optimal design variables (borehole depths, distance between consecutive boreholes, etc.) and borefield layouts (number of boreholes in the x -direction) are presented for different values of ground thermal conductivity and groundwater velocity. In addition, a parametric study is done to measure the impact of the groundwater flow velocity and angle with respect to the borefield on the economics of the project. A simultaneous comparison of the initial and operational costs is also completed, as it can provide interesting insights for multi-criterion design processes. Finally, optimized designs are tested under off-design operating conditions.

Depuis des décennies, les pays du monde entier s'affairent à préserver leurs précieuses ressources en eau potable. Ils cherchent à anticiper les risques et à réduire les impacts anthropiques qui pourraient altérer les sources d'approvisionnement. Au Canada, la protection des sources d'eau potable (PSEP) est mise en œuvre au sein de l'approche à barrières multiples, dont elle est l'une des barrières fondamentales. Cette approche permet une gestion multidimensionnelle de l'eau à l'aide d'outils et des pratiques visant à assurer la qualité de l'eau de la source au robinet. Bien que différents cadres existent pour prendre en compte l'eau dans l'aménagement du territoire, la mise en œuvre de la protection des sources peine à se concrétiser. Pourtant, les acteurs de l'eau et de l'aménagement du territoire ont une grande expérience dans la mise en œuvre d'actions. Alors, comment partager ces expériences afin de les soutenir dans l'identification et la mise en œuvre de futures actions de protection des sources ? Le but de cette thèse est de développer un prototype de système d'aide à la décision à base de connaissances (KB-DSS). Celui-ci a pour objectif de faciliter l'identification d'actions ciblées de PSEP selon les problèmes rencontrés. Pour ce faire, ce prototype a été développé sur la base des connaissances issues des expériences vécues depuis deux décennies au Québec, mettant à contribution des expériences réelles de mise en œuvre d'actions liées à la protection de l'eau. Il est conçu pour être utilisable par tout acteur ayant un intérêt à agir pour protéger les sources d'eau potable à l'échelle locale et régionale, via un transfert de connaissances dans le processus d'élaboration et de mise en œuvre d'actions. En étant un support dans la définition des actions futures, le prototype développé entend encourager les parties prenantes à apprendre les unes des autres. L'originalité de la thèse repose sur l'adoption combinée de l'approche en science du design/de la conception (DSR), qui a servi de lignes directrices pour adopter une démarche collaborative et transparente. Celle-ci a permis une application réussie du raisonnement à base de cas (CBR) au complexe problème de la PSEP dans un cadre de gestion de l'eau et du territoire. De cette démarche sont nés différents outils méthodologiques, procédures et connaissances permettant de mieux comprendre les problèmes liés à la PSEP, mais également d'illustrer la conception intégrale d'un prototype d'aide à la décision à base de connaissances utilisant le CBR. Tout d'abord, le cadre conceptuel (chapitre 1) explore et tente de comprendre les liens qui existent entre la nature des problèmes à résoudre pour protéger l'eau, l'environnement décisionnel et la prise de décision. Pour ce faire, le cadre adopte une approche systémique et holistique superposant différentes théories et concepts tels que la gouvernance de l'eau, la gestion de l'eau, la prise de décision, la rationalité et la connaissance. Cette compréhension des défis sous-jacents à la mise en œuvre de la PSEP permettait de mieux comprendre la complexité du problème à résoudre et posait les bases à l'élaboration du prototype de système CBR proposé. Dans l'optique de mieux comprendre comment les défis soulevés dans le cadre conceptuel se concrétisent en pratique, le second chapitre présente une enquête en ligne documentant la mise en œuvre de la PSEP au Québec. Celle-ci visait à brosser un portrait-diagnostic permettant de mieux comprendre le processus décisionnel, d'identifier qui sont les intervenants et quelles sont les connaissances produites et mobilisées pour la prise de décision sur la PSEP. Les analyses qualitatives et quantitatives des réponses des 208 intervenants retenus ont permis de constater que la mise en œuvre de la PSEP impliquait une grande diversité d'intervenants, de tâches et de connaissances créées et se caractérisait par un fort dynamisme inter-organisationnel. Cependant, on constatait que son processus décisionnel perdait en inclusivité au fil des étapes de mise en œuvre, que les connaissances étaient parfois redondantes et qu'il existait de nombreux enjeux de transfert de connaissances (accès, quantité ou qualité des connaissances) entre les intervenants. Lors de l'enquête en ligne présentée au second chapitre, il a été demandé à certains acteurs (organismes de bassins versants, villes, municipalités régionales de comté) d'illustrer les problèmes liés à la PSEP rencontrés sur le terrain. En parallèle, 102 intervenants se sont auto-recrutés pour participer au processus de design du système d'aide à la décision. Le troisième chapitre présente la démarche d'acquisition et de structuration des connaissances du dit KB-DSS par une approche CBR. Le chapitre décrit une seconde enquête en ligne ayant permis de définir ce qu'est un cas pour la PSEP, soit une expérience vécue qui consiste en une multitude de problèmes et de solutions mises en œuvre. Puis, il décrit la modélisation d'une taxonomie des connaissances ayant permis d'aboutir à des descriptions structurées des cas. La conception des cas repose sur le savoir-faire et les besoins en connaissances exprimés par les acteurs de l'eau. La base de cas constitue l'épine dorsale du prototype de KB-DSS destiné à guider les décideurs dans l'élaboration de solutions fondées sur des expériences passées. Le quatrième chapitre présente le prototype de KB-DSS/CBR pour la protection des sources d'eau potable. Il retrace comment le CBR a été modélisé, structuré, implanté, testé et validé en collaboration avec les 102 acteurs de la gestion et de la gouvernance de l'eau au Québec. Il décrit l'intégralité du processus manuel d'ingénierie de cas pour concevoir des attributs qualitatifs sur la base de la taxonomie des connaissances. Il présente l'édition des cas, le processus et les métriques permettant de retrouver des cas, l'implantation et un exemple d'utilisation ainsi que la validation du prototype, réalisée par une procédure participative rigoureuse et transparente avec un petit groupe d'acteurs de l'eau du Québec. Ainsi, il fournit des preuves empiriques du potentiel positif d'une approche CBR pour la PSEP sur le territoire, et retrace une démarche qui peut être généralisée à d'autres contextes géographiques et socio-économiques similaires. / Countries worldwide have been working for decades to preserve their precious drinking water resources. They seek to anticipate risks or reduce anthropogenic impacts that could alter the water quality and availability. In Canada, drinking water source protection (DSWP), or source water protection (SWP), is implemented as part of the multi-barrier approach and is one of the fundamental barriers. This approach allows for multidimensional water management using tools and practices to ensure water quality from source to tap. Although various frameworks exist to consider water in spatial planning, the implementation of DWSP is struggling to materialize. However, water and spatial planning actors have significant experience implementing actions. So, how can these experiences be shared to support them in identifying and implementing future DWSP actions? The goal of this thesis is to develop a prototype of a knowledge-based decision support system (KB-DSS). The objective of this prototype is to facilitate the identification of targeted actions for water protection according to the problems encountered. To do so, this prototype was developed based on knowledge gained from past experiences conducted over the last two decades in Quebec, using real experiences in implementing actions related to water protection. It is designed to be used by any actor with an interest in contributing for the protection of drinking water sources at the local and regional levels, through the transfer of knowledge in the process of developing and implementing actions. By being a support in the definition of future actions, the developed prototype intends to encourage the actors to learn from each other. The originality of the thesis lies in the combined adoption of the design science approach (DSR), which served as a guideline to adopt a collaborative and transparent approach. This allowed for a successful application of case-based reasoning (CBR) to the complex problem of DWSP in a water and territory management framework. From this approach, various methodological tools, procedures and knowledge were developed to better understand the DWSP problems, but also to illustrate the complete design of a prototype knowledge-based decision support system using CBR. First, the conceptual framework (chapter 1) explores and attempts to understand the links between the nature of the problems to be solved to protect water, the decision-making environment, and the decision-making process. These issues were explored by adopting a system analysis that allowed for layering concepts such as water governance, water management, decision-making, rationality, and knowledge. This holistic understanding of the underlying challenges of DWSP implementation provided a better understanding of the complexity of the problem at hand and laid the foundation for developing the proposed CBR system. To better understand how the challenges raised in the conceptual framework materialize in practice, the second chapter presents an online survey documenting the implementation of DWSP in Quebec. This survey aimed to provide a diagnostic portrait to understand the decision-making process better and identify the actors and the knowledge produced and mobilized for DWSP decision-making. Qualitative and quantitative analyses of the responses from the 208 selected actors revealed that the implementation of DWSP involved a wide variety of actors, tasks and knowledge created and was characterized by great inter-organizational dynamism. However, it was found that the decision-making process becomes less inclusive as actions are implemented. Also, the knowledge was sometimes redundant, and there were many problems with the knowledge transfer (access, quantity, or knowledge quality) between actors. During the online survey presented in the second chapter, selected actors (watershed organizations, municipalities, counties, etc.) were asked to illustrate DWSP-related problems encountered in the field. In parallel, 102 actors were self-recruited to participate in the design process of the KB-DSS. The third chapter presents the acquisition and structuring of DWSP problem-related knowledge. The chapter describes a second online survey that helped define a DWSP case, i.e., a lived experience consisting of a multitude of problems and solutions implemented at various scales by various actors. It then describes the modelling of a knowledge taxonomy that led to structured case descriptions. The design of the cases is based on the expertise and knowledge needs expressed by the water actors. The case base is the backbone of the KB-DSS prototype to guide decision-makers in developing solutions based on past experiences. The fourth chapter presents the prototype KB-DSS/CBR system for DWSP. It traces how CBR was modelled, structured, implemented, tested and validated in collaboration with 102 water management and governance actors in Quebec. It describes the entire manual case engineering process for the design of qualitative attributes from the knowledge taxonomy. It presents the case base, the case edition, and the case retrieval (process and metrics). This chapter also illustrates the implementation using a real-world experience use case, as well as the validation of the prototype, carried out through a transparent, participatory procedure with a small group of water actors in Quebec. Thus, it provides empirical evidence of the high potential of a CBR approach for DWSP in the spatial planning context and describes an approach that can be generalized to other similar geographical and socio-economic contexts.

Dans des conditions de climat humide et lorsque les sols sont peu perméables, les systèmes de drainage souterrains sont généralement utilisés pour contrôler le niveau de la nappe phréatique et améliorer la production agricole. Cependant, les drains souterrains modifient à la fois les voies d'écoulement hydrologique et les taux de transport des nutriments des terres cultivées vers les eaux de surface, pouvant détériorer la qualité des eaux souterraines et de surface. De plus, des macropores sont souvent présents dans les sols composés de till argileux, ce qui génère un flux d'eau rapide et riche en nutriments de la surface du sol vers les drains souterrains. Une approche rentable pour réduire le lessivage des nutriments provenant de l'agriculture consiste à imposer des restrictions uniquement dans les zones vulnérables à la contamination de l'eau. Ces zones peuvent être identifiées à l'aide de modèles hydrologiques distribués. Les résultats obtenus sur de petits bassins versants expérimentaux doivent être simplifiés pour être appliqués à des échelles plus grandes, généralement requises pour l'élaboration de politiques. L'objectif de cette étude était d'examiner les avancées et les limitations de l'inclusion des drains souterrains dans les modèles d'écoulement de surface et souterrain. Les objectifs spécifiques étaient de i) démontrer l'utilisation des estimations de conductivité électrique spécifique (CE), pour améliorer les simulations hydrologiques dans un champ drainé, ii) étudier l'efficacité d'un modèle hydrologique et de transport de soluté tridimensionnel pour simuler un test de traçage de bromure (Br) dans un champ drainé et iii) évaluer différents modèles conceptuels de drains souterrains et d'hétérogénéité du sol pour la simulation numérique du drainage dans un bassin versant agricole au Danemark. Les résultats suggèrent que la simulation de la profondeur de la nappe phréatique peut être améliorée par l'inclusion d'hétérogénéités basées sur des estimations de la CE. L'approche des seepage nodes était appropriée pour simuler les débits de drainage, cependant la précision des simulations était meilleure pour les modèles à l'échelle du terrain. À l'échelle du bassin versant, le fait de ne représenter que les drains principaux est approprié pour pouvoir utiliser des maillages plus grossiers et pour simuler le débit des cours d'eau et les faibles profondeurs des eaux de surface dans les zones drainées. Des résultats similaires ont été obtenus lorsque les seepage nodes ont été appliqués sur l'ensemble des zones agricoles, sans tenir compte de l'emplacement spécifique des drains souterrains. Cette dernière approche peut être appliquée lorsque les drains souterrains ne sont pas cartographiés, ce qui est généralement le cas. Une représentation simplifiée de l'hétérogénéité et de la macroporosité peut expliquer les différences entre ls valeurs observées et simulées des charges hydrauliques, débits de drainage et processus de transport de solutés. Les approches de modélisation étudiées dans cette thèse peuvent améliorer la représentation de la dynamique de l'écoulement souterrain et les simulations du transport de substances agrochimiques lessivées des champs cultivés, telles que le nitrate et phosphate. / Under humid climate conditions and for low-permeability soils, subsurface tile drains are usually employed to lower the water table and enhance agricultural production. However, tile drains alter both the hydrologic flow pathways in agricultural catchments and the rates of nutrient transport from cropland to surface water bodies, potentially impairing the groundwater and surface water quality. Furthermore, macropores are often present in clayey till soils, generating rapid and nutrient-rich water flow from the ground surface to the tile drains. A cost-effective approach to reduce nutrient leaching from agriculture is to impose restrictions only in vulnerable areas to water contamination, which can be identified using distributed hydrological models. Results on small experimental catchments need to be simplified for application on larger scales, usually required for policy-making purposes. The objective of this study was to investigate the outcomes and limitations of including tile drains in surface and subsurface flow models. Specific objectives were to i) demonstrate the use of electrical conductivity (EC) estimates to improve hydrological simulations in a tile-drained field, ii) investigate the efficiency of a three-dimensional hydrological and solute transport model to simulate a bromide (Br) tracer test in a tile-drained field and iii) assess different conceptual models for tile drains and soil heterogeneity for the numerical simulation of tile drainage in an agricultural catchment in Denmark. The results suggest that the simulation of the water table depth can be improved by the inclusion of heterogeneities based on EC estimates. The seepage nodes approach was suitable to simulate drain discharge, however the accuracy of the simulations was better for the field-scale models. At the catchment scale, representing only the main drains was suitable to reduce the mesh refinement and simulate stream flow and low surface water depths in drained areas. Similar results were obtained when seepage nodes were applied all over the agricultural areas, without considering the specific location of tile drains. The later approach can be applied when tile drains are not mapped, which is usually the case. The misrepresentation of heterogeneity and macroporosity may explain the differences between observed and simulated hydraulic heads, drain discharge and solute transport processes. The modeling approaches investigated in this dissertation can improve subsequent simulations of tile drainage and the transport and fate of leached agrochemicals such as nitrate or phosphate.

Cette étude s'intéresse sur la simulation numérique des aires d'alimentation des puits d'eau potable sous l'influence d'une interface eau douce-eau salée (SWI), aux Îles-de-la-Madeleine, au Québec. Trois approches sont étudiées pour représenter l'interface, une entièrement dispersée (ID) considérant l'écoulement des eaux souterraines à densité variable et le transport advectif-dispersif, et les approches simplifiées de l'interface horizontale (IH et MODFLOW) et de Ghyben-Herzberg (GH). Le modèle d'éléments finis 3D SALTFLOW est utilisé pour toutes les simulations, en appliquant l'approche de la probabilité de captage (CP), basée sur le transport advectif-dispersif en mode arrière, pour définir les aires. Une analyse de sensibilité est d'abord appliquée à un domaine rectangulaire 3D simplifié avec un puits de pompage foré dans un aquifère de grès hautement perméable. Cette étude d'analyse de sensibilité porte sur l'influence de la conductivité hydraulique, la profondeur de la crépine et l'augmentation du taux de pompage sur la taille et la forme des aires. Les aires d'alimentation définies avec l'approche de CP sont comparées selon les différentes représentations de l'interface eau douce-eau salée énoncées dans cette étude. L'approche est ensuite appliquée à un sous-domaine 3D hétérogène sur l'Île du Cap aux Meules, qui comprend dix puits de pompage. Pour les conditions considérées dans cette étude, les aires de CP délimitées avec l'IH ou GH sont approximativement égales à 5% des aires simulées avec l'ID. Cependant, les aires ID sont généralement plus grandes comparées à celles simulées avec le traçage de particules basé sur le modèle MODFLOW, en raison des différences dans le modèle conceptuel et l'effet de la dispersion hydrodynamique dans l'approche de CP. L'effet du type d'interface diminue en s'éloignant du littoral. Le CP est une approche potentiellement utile pour définir les aires des aquifères insulaires avec l'intrusion d'eau salée. L'avantage de cette approche de CP est qu'elle inclut les incertitudes à travers le terme de dispersion permettant aux décideurs de choisir des niveaux de risques acceptables. / This study focusses on the numerical simulation of water well capture zones under the influence of a freshwater-saltwater interface (SWI), in the context of groundwater protection on the Magdalen Islands, Québec. Three approaches for representing the interface are investigated, a fully dispersed interface considering density-dependent groundwater flow and advective-dispersive transport, as well as the simplified approaches of a Ghyben-Herzberg interface and a horizontal interface. The 3D finite element model SALTFLOW is used for all simulations, including application of the capture probability (CP) approach, based on backward-in-time advective-dispersive transport, for defining the capture zones. A sensitivity analysis is first applied to a simplified 3D rectangular domain with a single well pumping within a highly permeable sandstone aquifer. Probability capture zones are compared under the different representations of the saltwater interface, highlighting the influence of hydraulic conductivity, the depth of the well screen, and an increase of the pumping rate on the capture zone size and shape. The approach is then applied to a 3D sub-domain of the Island of Cap aux Meules, including ten pumping wells within a heterogeneous system. For the conditions considered in this study, capture zones predicted using the capture probability approach assuming a Ghyben-Herzberg or horizontal interface had surface areas within about 5% of the capture zones simulated using a dispersed interface. These capture zones, however, were generally larger compared to those simulated using advective particle tracks based on a MODFLOW model, due to differences in the conceptual model and to the effect of hydrodynamic dispersion in the CP approach. The effect of the type of interface on the capture zone decreased away from the coastline. Capture probability is a potentially useful approach for defining capture zones in island aquifers under saltwater intrusion as it includes uncertainty through dispersion allowing decision-makers to choose acceptable levels of risk. It is concluded that the Ghyben-Herzberg and horizontale Interface simplifications are acceptable approaches, considering the inherent uncertainties in the conceptual models.

En 2022, le Programme d'acquisition de connaissances sur les eaux souterraines (PACES) aura conduit à la réalisation d'une vingtaine de projets permettant d'obtenir un portrait régional de cette ressource sur l'ensemble du Québec municipalisé. En dépit de ces connaissances, l'expérience démontre que peu d'acteurs régionaux ont intégré les eaux souterraines dans leurs documents de planification. Ainsi, l'un des objectifs du projet PACES Estrie (2018-2022) consistait à développer une démarche pour impliquer les acteurs de l'eau dans l'élaboration d'un plan d'action devant être intégré dans le plan directeur de l'eau (PDE) de deux organismes de bassins versants (OBV). La démarche comportait 17 entrevues avec des municipalités et municipalités régionales de comté (MRC) ainsi que trois ateliers collaboratifs avec divers acteurs de l'eau. Les entrevues avaient pour objectif de comprendre les contextes de décision en matière d'aménagement du territoire. Les ateliers prévoyaient un bref transfert de connaissances sur l'enjeu abordé suivi d'échanges entre experts et acteurs afin de dégager des actions envisageables relatives à l'enjeu pour le plan d'action. Pour s'assurer de maximiser les échanges, la démarche a ciblé les acteurs-clés, a misé sur des enjeux correspondant à leurs préoccupations et s'est servi d'indicateurs pour faciliter la compréhension de ces enjeux. Les entrevues et ateliers ont permis de dégager de nombreux constats qui ont conduit à l'élaboration du plan d'action. L'analyse des constats met en évidence un ensemble d'obstacles auxquels les acteurs de l'eau sont confrontés dans l'intégration des eaux souterraines dans leurs documents de planification. À la racine du problème se situe une série de manques au niveau du cadre québécois de gestion intégrée de l'eau par bassin versant (GIEBV). L'étude présente 13 pistes de solution pour combler ces manques. Celles-ci portent sur la sensibilisation des élus et citoyens, la gouvernance de l'eau, le transfert et l'échange de connaissances, le suivi des enjeux régionaux et enfin le besoin d'incitatifs financiers pour supporter la réalisation de projets locaux. / By 2022, the Quebec systematic aquifer assessment program (Programme d'acquisition de connaissances sur les eaux souterraines (PACES)) will have led to the completion of some twenty projects providing a regional characterization of this resource across its entire municipalized territory. Despite this knowledge, experience shows that few regional stakeholders have integrated groundwater into their planning documents. Thus, one of the objectives of the PACES Estrie project (2018-2022) was to develop a process that would involve water stakeholders in the development of an action plan to be integrated into the Water Master Plan (plan directeur de l'eau (PDE)) of two watershed organizations (organismes de bassins versants (OBV)). The process involved 17 interviews with municipalities and regional county municipalities and three collaborative workshops with various water stakeholders. The objective of the interviews was to understand the decision-making contexts for land use planning. The workshops included a brief knowledge transfer period about the issue covered by the workshop, followed by knowledge exchanges between experts and stakeholders to identify possible actions for the action plan related to the issue. To promote optimal exchanges, the process targeted key stakeholders, focused on issues that correspond to their concerns and used indicators to facilitate the understanding of the issues. The interviews and workshops provided numerous findings, which led to the development of the action plan. An analysis of the findings highlights a series of hurdles that water stakeholders face regarding the integration of groundwater into their planning documents. At the root of the problem lies a series of shortcomings in the Quebec framework for Integrated Water Resources Management. The study presents 13 possible solutions to fill these gaps. These solutions are related to raising awareness among elected officials and citizens, water governance, knowledge transfer and exchange, monitoring of regional issues and the need for financial incentives to support the implementation of local projects.