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.

Des mesures sismiques à faible profondeur ont été réalisées dans le cadre d’une étude hydrogéophysique en Outaouais pour investiguer le sous-sol. À cet effet, une approche intégrée qui regroupe plusieurs méthodes de traitement du signal sismique a été développée. Dans cette approche, l’ensemble des modes de propagation sismique est considéré en effectuant l’analyse conjointe des ondes de surface, des ondes réfractées critiquement et des ondes réfléchies de compression P et de cisaillement polarisées verticalement SV. Cette approche intégrée est beaucoup plus robuste que si chaque méthode était considérée séparément. Elle permet d’estimer la distribution spatiale des vitesses de propagation des ondes P et S de la sous-surface et d’obtenir des profils en réflexion qui permettent d’identifier les contacts stratigraphiques. Quatre études de cas dans la région de l’Outaouais sont présentées pour illustrer cette approche. Pour l’une de ces études à Buckingham, un essai de pénétration au piézocône sismique a été réalisé afin de valider les modèles de vitesse obtenus à partir de l’approche développée. Cette approche intégrée est applicable entre autres aux domaines de l’environnement, de la géotechnique, des risques naturels et de l’hydrogéologie.

Dans l’optique de réhabiliter les eaux souterraines d’un site contaminé par des hydrocarbures incluant le benzène, le toluène et le xylène (BTX), une méthode efficace qui est souvent utilisée afin de stimuler la biodégradation des BTX est l’injection de persulfate de sodium (Na2S2O8). Cette oxydation chimique in situ (ISCO) permet d’éliminer l’essentiel de la masse contaminée, par réaction avec le persulfate (S2O8 2-). Le reste de la masse est ensuite éliminée par augmentation de la biorestauration (EBR), puisque le BTX restant réagit avec le sulfate produit de la réaction d’oxydation chimique. Cette méthode de traitement séquentiel a notamment été utilisée lors d’un essai-terrain à Borden, en Ontario, dans le cadre d’un projet RDC-CRSNG entre 2010-2015. Sur le terrain, la méthode de suivi habituelle de l’efficacité d’une technique de réhabilitation est la mesure des concentrations. Toutefois, la diminution des concentrations peut être attribuée à plusieurs effets tels que la complexité d’une zone source (phase libre), l’écoulement transitoire de l’eau souterraine, les hétérogénéités du milieu poreux ainsi que la dispersion hydrodynamique. La séparation des processus responsables de la diminution de masse n’est pas facile à évaluer sur le terrain. Pour analyser les changements de zones oxydo-réductrices, l’analyse isotopique δ13C et δ2H – méthode précise pour situer les réactions – peut être utilisée. Afin de mieux comprendre le comportement des signatures sous conditions variables, et d’identifier les limitations de l’approche, la méthodologie doit être testée en conditions de contrôle. À Borden, ce fractionnement isotopique n’avait pas encore été simulé. Les simulations numériques à l’aide du modèle BIONAPL/3D sont réalisées afin de reproduire l’essai-terrain de Borden, l’objectif étant de mieux comprendre le cheminement de dégradation des hydrocarbures en eau souterraine. Les compositions isotopiques permettent de conclure quant aux différents processus responsables de la dégradation des BTX. Toutefois, ces compositions ne permettent pas de quantifier la masse dégradée. / An emerging strategy for the remediation of contaminated sites is the integration of different treatment technologies. One example of a synergistic sequential treatment system is to use persulfate, a strong chemical oxidant (ChemOx), to target the bulk of the contaminant mass in the high concentration zones and then allow the produced sulfate to enhance biodegradation of the remaining mass. The design and subsequent performance of this combined remedy depends on the development of an enhanced bio-remediation (EBR) zone from the initial ChemOx zone. To provide insight into the development of these two dynamic mass removal zones, the isotopic fractionation signatures of representative petroleum hydrocarbons were simulated using the BIONAPL/3D model, which includes groundwater flow and multi–component reactive transport. This model was used to simulate a pilot-scale experiment conducted at the Canadian Forces Base Borden where persulfate was injected into a controlled-release plume of dissolved BTX components (benzene, toluene and xylene). Isotopic signatures of δ13C and δ2H were used to identify redox reactions, and to provide insight into hydrocarbon degradation pathways including aerobic biodegradation, chemical oxidation by persulfate, and anaerobic biodegradation by microbial sulfate reduction. Isotopic fractionation of C and H was included by associating the fractionation factors with the maximum substrate utilization rates. Simulated isotopic signatures agree reasonably well with the observed isotope ratios, showing increasing shifts of δ13C and δ2H over time in the remaining dissolved BTX. Spatially distinct redox zones, which are also affected by advection and dispersion, were identifiable from the simulated isotope ratios. The simulation results show that mass loss was dominated by chemical oxidation followed by sulfate EBR. The modelling tool and approach will be useful for application at other sites to support the design of persulfate/EBR sequential treatment systems, and to investigate the role of engineering controls on system behavior.

Le Nunavik est peuplé de communautés s'approvisionnant majoritairement en eau de surface. Plusieurs contraintes, telles que les coûts de traitement et le tarissement des sources en hiver, motivent la recherche d'une alternative, soit l’approvisionnement en eau souterraine. Or, la disponibilité de l’eau souterraine en région nordique est limitée en raison de la présence du pergélisol. De plus, l’exploitation durable des eaux souterraines en région nordique reste à démontrer puisque les processus de recharge des nappes phréatiques ainsi que la dynamique d’écoulement des eaux souterraines sont différents de ceux observés en région tempérée. L’objectif principal du projet est d’évaluer la disponibilité des eaux souterraines en région froide pour l’approvisionnement en eau potable d’une communauté nordique. Pour ce faire, le bilan hydrologique d’un petit bassin versant de 2,1 km2 situé dans la vallée Tasiapik, près de la communauté d’Umiujaq (Nunavik), a été réalisé entre le 1er juillet 2014 et le 1er juillet 2015. Les précipitations totales ont été évaluées à partir des données d’environnement Canada pour une somme de 520 mm. Les évapotranspirations potentielles et réelles ont été calculées à l’aide des équations d’Hydro-Québec (Bisson et Roberge, 1983) et de Budyko (1974) pour des valeurs respectives de 330 mm et 192 mm. L’installation d’un canal jaugeur dans le cours d’eau principal a permis d’évaluer la décharge à l’exutoire de 280 mm. L’emmagasinement dans les réservoirs de surface et souterrain a été estimé en fermant le bilan hydrologique de surface et représente une lame d’eau équivalente de 48 mm. La recharge des eaux souterraines a été caractérisée selon la méthode de Darcy par l’instrumentation de quatre sites recouverts par une végétation différente. Ainsi, la recharge moyenne sur l’ensemble du bassin versant représente 207 mm, ce qui correspond à environ 40% des précipitations totales. Par ailleurs, le bassin versant connait un épisode de recharge par année, à l’instar des deux épisodes normalement observés au Québec méridional. La raison derrière ce phénomène est d’abord reliée à un été plus court et à la fonte tardive de la neige engendrée par le type de végétation. Ensuite, le débit de base est estimé par la séparation d’hydrogramme. La moyenne du débit de base calculé prend une valeur de 193 mm. Ce résultat correspond à un pourcentage du débit total d’environ 69%, ce qui est caractéristique des régions sans pergélisol. Ce résultat n’est toutefois pas surprenant en considérant que le pergélisol est peu présent dans le bassin versant et se retrouve exclusivement sous forme de buttes isolées. De ce fait, son impact sur les écoulements souterrains est limité, sans compter sur le fait qu’il est présent dans une couche de silt qui est peu perméable, même en absence de pergélisol. Par ailleurs, la décharge à l'exutoire est influencée par les eaux souterraines provenant d'autres bassins versants, ce qui explique en partie la valeur élevée obtenue. Le transfert d’eau souterraine entre bassins versants, qui est obtenu en fermant le bilan hydrologique, correspond à un apport d’eau de 34 mm provenant des bassins versants adjacents. Cette estimation semble cohérente avec les caractéristiques du site d’étude. En effet, ce dernier est situé dans une vallée entourée notamment d’une cuesta et d’une colline possédant toutes deux un relief important. Ces caractéristiques font en sorte que la ligne de partage des eaux souterraines est significativement plus étendue que celle de surface. La décharge des eaux souterraines permet également d’estimer la quantité d’eau pouvant être utilisée dans une optique de développement durable. La lame d’eau équivalente à ce paramètre possède une valeur de 193 mm, ce qui représente 405 300 000 litres d’eau. Le bassin versant contient donc suffisamment de cette ressource pour subvenir au besoin du village puisque la communauté utilise environ 18 370 450 litres d’eau par année, soit 4,5% de la ressource disponible. Les campagnes de terrain ont aussi permis la prise d’échantillons afin d’analyser la chimie de l’eau. Ces résultats ont ensuite été comparés aux concentrations maximales acceptables pour l’eau potable provenant du Règlement sur la qualité de l’eau potable du gouvernement du Québec (MDDELCC, 2016) et aux objectifs esthétiques de Santé Canada (2016). La conclusion qui en découle est que l’eau est potable, mais qu’elle dépasse la limite en ce qui a trait au manganèse, ce qui n’est pas un problème, puisque cet élément est surtout nuisible à la lessive et pour les équipements de plomberie. Toutefois, quelques paramètres physico-chimiques n’ont pas été analysés et un examen approfondi des normes bactériologiques est nécessaire pour se prononcer avec certitude sur la potabilité de l’eau souterraine. / Nunavik’s communities rely mainly on surface water. Several constraints, such as treatment costs and drying-up in the winter, motivate the search for an alternative. The availability of groundwater in the northern region is limited, due to the presence of permafrost. Moreover, the sustainable exploitation of groundwater in the Nordic region remains to be demonstrated, as groundwater recharge processes and the dynamics of groundwater flows are different from those observed in temperate regions. The main objective of the project is to assess the availability of groundwater for drinking water supply of a northern community. The water budget of a 2.1 km2 watershed in the Tasiapik Valley near the Umiujaq community (Nunavik) was carried out between July 2014 and July 2015. The total precipitation was evaluated using environment Canada data’s for a sum of 520 mm. Potential and actual evapotranspiration were calculated using the Hydro-Québec equations (Bisson and Roberge, 1983) and Budyko (1974) for respective values of 330 mm and 192 mm. The installation of a gauging channel in the main stream made it possible to evaluate the discharge at the outlet for a total of 280 mm. Storage in surface and underground reservoirs were estimated by closing the surface water budget and represents 48 mm. Groundwater recharge was characterized according to the Darcy method by the instrumentation of four sites covered by different vegetation. Thus, the average recharges over the entire catchment area represents 207 mm, which corresponds to about 40% of the total precipitation. In addition, the watershed experiences one recharge episode per year, which is different from the two episodes normally observed in southern Québec. The reason behind this phenomenon is firstly related to a shorter summer and to the late melting of snow caused by the type of vegetation. Then, the base flow is estimated by the hydrograph separation technic. The average calculated flow rate correspond to an equivalent of water of 193 mm. This represents 69% of the total flow, which is characteristic of regions without permafrost. This result, however, is not surprising considering that permafrost is present in small quantity in the watershed and is found exclusively in the form of isolated mounds. As a result, its impact on underground flows is limited, not to mention the fact that it is present in a layer of silt that is poorly permeable, even in the absence of permafrost. On the other hand, discharge at the outlet is influenced by groundwater from other watersheds, which partly explains the high value obtained. The transfer of groundwater between catchments, which is obtained by closing the groundwater water budget, corresponds to a water supply of 34 mm coming from the adjacent catchments. This estimate seems consistent with the characteristics of the study site. Indeed, the latter is located in a valley surrounded by a cuesta and a hill both having an important relief. These characteristics mean that the groundwater watershed is larger than the surface watershed. Groundwater discharges can also be used to estimate the amount of water that can be used for sustainable development. The equivalent water of this parameter has a value of 193 mm, which represents 405 300 000 litres of water. The watershed therefore contains enough of this resource to meet the village's needs, since the community uses about 18,370,450 litres of water per year, or 4.5% of the available resource. The field campaigns also allowed the sampling in order to analyze the chemistry of water. These results were then compared with the maximum acceptable drinking water concentrations from the Government of Quebec's Drinking Water Quality Regulation (MDDELCC, 2016) and the aesthetic objectives of Health Canada (2016). The conclusion is that the water is drinkable, but that it exceeds the limit with respect to manganese, which is not a problem, since this element is mostly harmful to the laundry and for plumbing equipment. However, some elements have not been analyzed and a thorough examination of the bacteriological standards is necessary in order to determine with certainty the potability of this groundwater.

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.

Les effets des changements climatiques sont particulièrement importants dans les régions arctiques et subarctiques. L’augmentation de la température de l’atmosphère entraine notamment le réchauffement du pergélisol qui perd en épaisseur et en couverture spatiale. Cette dégradation a des conséquences sur les écosystèmes, le paysage, la stabilité des sols, des bâtiments et des infrastructures ainsi que sur les populations locales et sur leur mode de vie. La dégradation du pergélisol conduira probablement à la perte de la couche confinante formée par le pergélisol favorisant ainsi la recharge des aquifères et modifiant les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines. Cependant, l’impact de cette dégradation sur la qualité et la disponibilité des eaux souterraines demeure en grande partie inconnu. Cette thèse a été motivée par le manque d’informations sur les eaux souterraines en région de pergélisol discontinu, par les changements environnementaux rapides liés au réchauffement climatique et par le potentiel de l’eau souterraine comme ressource en eau potable pour, entre autres, les communautés du Nunavik (Québec, Canada). Ce projet se concentre sur la compréhension des écoulements et sur la qualité de l’eau souterraine dans la vallée de Tasiapik, un petit bassin versant en zone de pergélisol discontinu proche d’Umiujaq au Nunavik. Cette étude se base sur une analyse approfondie de l’hydrogéochimie des eaux souterraines, des eaux de surface, des précipitations et du pergélisol riche en glace. Cette thèse est divisée en deux parties. La première partie (chapitre 2) est une revue de la littérature scientifique existante sur l’hydrogéochimie des eaux souterraines. La seconde partie (chapitre 3) présente l’étude hydrogéochimique des eaux souterraines dans la vallée de Tasiapik. Cette thèse est complétée par une introduction générale (chapitre 1), une synthèse (chapitre 4) et une conclusion (chapitre 5). / La première partie, chapitre 2, résume l’état actuel des connaissances sur l’hydrogéochimie des eaux souterraines dans les régions affectées par le pergélisol et sur les impacts potentiels de la dégradation du pergélisol sur la qualité des eaux souterraines. Les caractéristiques hydrogéochimiques des eaux souterraines dans les zones de pergélisol dépendent des mêmes réactions que dans les régions où il n’y a pas de pergélisol. Cependant, le pergélisol agit comme une couche confinante qui peut influencer la chimie des eaux souterraines en empêchant la recharge directe des aquifères et en augmentant le. Un temps de résidence, favorisant ainsi plus long augmente également les interactions eau-roche. Un des impacts majeurs des changements climatiques sur les eaux souterraines sera associé à la perte de cette couche confinante. Les futures études en lien avec l’hydrogéologie en zone de pergélisol devraient donc inclure une meilleure caractérisation hydrogéochimique insitu afin de mieux évaluer l’impact du réchauffement climatique sur les eaux souterraines. La deuxième partie, chapitre 3, utilise l’hydrogéochimie comme outil pour mieux comprendre la dynamique de la recharge et développer un modèle conceptuel pour l’écoulement des eaux souterraines dans la vallée de Tasiapik. Cette étude se base sur l’analyse d’échantillons de précipitations, d’eau souterraine, de glace du pergélisol, de lacs de thermokarst et de cours d’eau. L’hydrogéochimie des eaux souterraines dans le bassin versant est typique d’eaux jeunes, avec une faible minéralisation. Cela implique des circulations et des temps de résidence relativement courts. Ce jeu de données hydrogéochimiques pourra servir de référence pour documenter les impacts des changements climatiques sur le système hydrogéologique et l’interprétation qui en est tirée permettra de mieux comprendre la dynamique des eaux souterraines d’aquifères en régions froides. / L’eau souterraine dans le bassin versant d’Umiujaq répond aux normes de qualité canadiennes et québécoises pour l’eau potable. Cependant, la distance entre la vallée et la communauté rendent le site peu propice pour l’alimentation en eau d’Umiujaq. Ces résultats sont encourageants pour l’utilisation d’eau souterraine comme ressource ailleurs au Nunavik et dans les régions circumpolaires. La vulnérabilité de cette ressource potentielle doit néanmoins être considérée et la délimitation de zones de protections en fonction de l’état du pergélisol doit être envisagée pour éviter toute contamination de cette ressource fragile. En résumé, cette étude a apporté des données détaillées sur l’hydrogéochimie des eaux souterraines en zone de pergélisol discontinu qui combinées à des modèles hydrogéologiques et thermiques, ont permis de mieux comprendre les interactions entre les eaux souterraines et le pergélisol dans un environnement vulnérable soumis à des pressions économiques et climatiques. / The first part, Chapter 2, provides a summary of the current state of knowledge of groundwater hydrogeochemistry in permafrost-affected areas and reviews the potential impacts of permafrost degradation on groundwater quality. The hydrogeochemical characteristics of groundwater in permafrost areas depend on the same reactions as in permafrost-free areas. As a confining layer, permafrost can influence groundwater chemistry by limiting recharge and exchanges between the soil, surface water and groundwater. Longer residence times also increase water-rock interactions. One of the most important impacts of climate change on groundwater will probably be associated with the loss of the confining layer. In permafrost areas, there is a general lack of detailed hydrogeological studies which use direct groundwater sampling. Future studies related to hydrogeology in permafrost areas should therefore include better in-situ hydrogeochemical characterization to assess the potential for using groundwater as the climate warms. The second part, Chapter 3, uses hydrogeochemistry as a tool to better understand recharge dynamics and to develop a conceptual model for groundwater flow in the Tasiapik Valley, Umiujaq. This study is based on the analysis of samples taken from precipitation, groundwater, ice from permafrost mounds and from thermokarst lakes and streams. Groundwater hydrogeochemistry in the watershed is typical for young waters, with low mineralization. This implies relatively short flow paths (on the order of 100-1000 m) and short residence times. This hydrogeochemical dataset will provide a reference for documenting the impacts of climate change on the hydrogeological system and will improve our understanding of groundwater dynamics in cold-region aquifers. / Groundwater in the Umiujaq watershed meets Canadian and Quebec drinking water quality standards. However the distance between the valley and the Umiujaq community makes the site unfavourable as a local water supply. These results are promising for the use of groundwater as a water supply elsewhere in Nunavik and in circumpolar regions. The vulnerability of this potential resource must nevertheless be taken into account and the delineation of protection zones considering the state of permafrost must be considered to avoid contamination of this fragile resource. Finally, this study provides detailed baseline data on groundwater hydrogeochemistry in a discontinuous permafrost zone. This data, combined with hydrogeological and thermal models, will provide a better understanding of the interactions between groundwater and permafrost in a sensitive environment undergoing significant climate change and economic development. / Arctic and subarctic regions are particularly vulnerable to climate change. Higher air temperatures, for example, lead to permafrost warming which decreases its thickness and spatial coverage. Permafrost degradation has consequences on ecosystems, landscapes, the stability of soils, buildings and infrastructure, as well as on local populations and their way of life. The effect of permafrost degradation on groundwater is likely to result in the loss of the confining layer formed by permafrost, thereby promoting aquifer recharge and modifying interactions between surface water and groundwater. However, the effect of permafrost degradation on groundwater quality and availability is still largely unknown. With increasing concerns of rapid global warming, this thesis was motivated by the lack of information on groundwater in discontinuous permafrost regions and the potential of groundwater as a drinking water resource for communities in Nunavik (Quebec, Canada). This project focuses on understanding groundwater flow and groundwater quality in the Tasiapik Valley, a small watershed located in a discontinuous permafrost zone near Umiujaq, Nunavik, Quebec. Insights into the hydrogeological system are provided by conducting a comprehensive hydrogeochemical analysis of groundwater, surface water, precipitation and water contained in ice-rich permafrost. The thesis is divided into two parts. The first part (Chapter 2) presents a review of the existing scientific literature on groundwater hydrogeochemistry. The second part (Chapter 3) presents a specific hydrogeochemical study of groundwater in the Tasiapik Valley. The thesis also includes a general Introduction (Chapter 1), Synthesis (Chapter 4) and Conclusions (Chapter 5).

La construction d'infrastructures de transport dans les régions arctiques et subarctiques est confrontée à des problèmes uniques que l'on ne rencontre pas lors des pratiques d'ingénierie en régions tempérées (Muller, 2008). Un remblai agit comme un long barrage où l'écoulement naturel de l'eau doit être redirigé vers des fossés et des ponceaux, mais cette pratique couramment utilisée dans le sud peut entraîner d'importantes instabilités du sol dans le nord. Selon McGregor et al. (2010), la modification de l'écoulement des eaux de surface est susceptible de modifier le régime thermique du sol, de déclencher la dégradation du pergélisol et même la détérioration des remblais routiers. Les impacts à court et à long terme sur le régime thermique du pergélisol des systèmes de drainage actuellement utilisés avaient été peu documentés jusqu'à présent et il y avait donc un grand besoin de développer une nouvelle approche pour le contrôle de l'advection et de l'érosion thermique. Ce projet de doctorat avait pour objectif principal le développement de nouvelles stratégies, méthodes et outils de conception en ingénierie du drainage afin d'atténuer les problèmes de dégradation du pergélisol résultant de l'écoulement de l'eau le long et sous les infrastructures de transport. Grâce à de nombreuses observations et analyses de données de terrain, ce projet de recherche a réussi à améliorer les connaissances sur le rôle clé de l'écoulement de l'eau dans le transfert de chaleur vers les sols gelés, sur l'érosion thermique et sur la performance des systèmes de drainage routier construits dans le pergélisol. Cette recherche est également innovante puisque la contrainte de cisaillement critique d'un silt gelé et partiellement gelé a été évaluée pour la première fois avec un dispositif d'érosion. Dans le cadre de la recherche, des abaques de conception d'ingénierie ont été développées : 1) pour obtenir le débit admissible limitant l'érosion thermique dans les fossés de drainage en fonction de la contrainte de cisaillement critique du sol et 2) pour limiter l'advection de chaleur par l'écoulement souterrain le long et sous les infrastructures de transport en utilisant le nombre de Peclet adapté aux sols. Les outils de conception de drainage ont été validés à l'aide de données d'études antérieures menées sur le site d'essai de Beaver Creek au Yukon et ont été appliqués aux conditions de trois sites d'essai supplémentaires (Ilulissat, Yukon et Salluit). Ce projet de doctorat est le premier à fournir des outils de conception pour les systèmes de drainage en régions de pergélisol, ce qui constitue une grande avancée dans l'ingénierie des régions froides. / Engineering construction in arctic and subarctic regions faces unique problems not encountered in engineering practices in temperate regions (Muller, 2008). A road embankment acts as a dam spanning a long distance where the natural flow of water must be redirected to ditches and culverts along the way, but this commonly used practice in the south can lead to important soil instabilities in the north. According to McGregor et al. (2010), altering the surface water pattern is likely to alter the ground thermal regime, trigger permafrost degradation and even deterioration of road embankments. The short and longterm impacts on permafrost caused by drainage systems currently used in northern regions had been little documented until now and there was a need to develop a common approach to advection and thermal erosion control. This PhD project aimed to develop new strategies, methods, and engineering drainage design tools to mitigate permafrost degradation issues resulting from water flow along and underneath transportation infrastructure. Through numerous field observations and data analyses, this research project successfully improved knowledge on the key role of water flow in heat transfer to frozen soils, on thermal erosion and on road drainage systems performance build in permafrost. This research is also innovative since the important parameter controlling erosion, the critical shear stress, was assessed for a frozen and partially frozen silt for the first time with an erosion device. As part of this research, design charts were developed: 1) to obtain the allowable flow limiting thermal erosion in drainage ditches based on the soil critical shear stress and 2) to limit heat advection by subsurface flows along and underneath transportation infrastructure using the Peclet number adapted for soils. The drainage design tools developed were validated using observations and data from previous studies conducted at the Beaver Creek road test site in the Yukon and were applied to the conditions of three additional test sites located in Ilulissat (Greenland), near the Alaska-Yukon Border and in Salluit (Nunavik) where the ground is known to be sensible to permafrost degradation and thermal erosion. This PhD project is the first to provide design tools for drainage systems build in permafrost regions which is a great advancement in cold regions engineering.

Un projet de développement économique en milieu rural devient rapidement une controverse publique sur une question environnementale mise à l'agenda politique des divers paliers de gouvernements. Un premier projet de captage d'eau souterraine aux fins commerciales d'embouteillage occasionne une vive réaction chez les résidants alors que des puits sont asséchés pendant les essais hydrauliques pour déterminer du potentiel de l'aquifère. L'évolution des échanges entre les représentants gouvernementaux, le promoteur et les résidants ont offert une disparité qui a contribué à envenimer les relations et mener à une méfiance institutionnelle. Dans ce contexte, un deuxième projet tente de se tailler une place. La mobilisation des résidants se maintient. Une seconde série d'échanges entre promoteur et résidants se solde devant les tribunaux. Par l'approche constructiviste et communicationnelle favorisée dans cette analyse sociologique, nous souhaitons apporter un éclairage propre à chacun des acteurs et permettre une compréhension des enjeux de gouvernance que soulèvent la protection, le partage et la mise en valeur de l'eau.

Le présent travail a été réalisé dans le cadre du programme scientifique AQUALP, soutenu par la Fondation EVIAN. Son thème est l'étude de l'hydrogéologie du cristallin alpin. Le programme AQUALP comporte deux volets coordonnés : tandis que le volet "sources", mené à l'université de Savoie, s'intéresse aux circulations naturelles vers les exutoires superficiels, le volet << ouvrages » qui constitue ce travail s'est focalisé sur l'interaction entre les ouvrages du génie civil et les eaux souterraines. L'approche adoptée est celle d'une étude de terrain durant laquelle des venues d'eau rencontrées dans divers ouvrages souterrains alpins et replacées dans leur contexte géologique ont été suivies du point de vue des débits, de la physico-chimie et de la chimie isotopique. Un essai de traçage ainsi que des simulations numériques des écoulements souterrains ont également été réalisés. Principaux résultats L'inventaire des données hydrogéologiques dans les nombreux ouvrages souterrains existants a permis de calculer, sur la base de solutions analytiques simples, la distribution de la conductivité hydraulique des massifs traversés. Ces résultats montrent la diminution de la conductivité hydraulique avec la profondeur. Us nous amènent à préciser l'épaisseur de la zone décomprimée, soit 500 m environ. Cette zone influence fortement les écoulements souterrains dans ces massifs. La présence de micas inhibe la conductivité hydraulique en conférant aux roches un comportement plus plastique lors des phases tectoniques passées. La température des venues d'eau rencontrées est une fonction complexe de l'épaisseur de la couverture rocheuse sus-jacente et de la quantité d'eau circulant dans le massif. Elie constitue dès lors un indicateur précieux, lors du creusement d'un ouvrage souterrain, de la présence d'éventuels tronçons plus perméables dans les terrains à venir. Une simulation numérique d'un cas de ce genre a été effectuée et montre la possibilité d'utiliser cet outil pour améliorer la prévision des venues d'eau dans l'ouvrage. L'étude des températures ainsi que l'application du géothermomètre calcédoine à l'ensemble des venues étudiées a montré l'existence de systèmes d'écoulement ascendants, alimentés par les précipitations. Les eaux circulant dans les massifs alpins possèdent une composition chimique fortement influencée par la nature de la roche réservoir. Les analyses chimiques des éléments majeurs et en traces ont permis de distinguer les eaux issues des diverses pétrographies rencontrées. On soulignera avant tout la complémentarité des analyses des éléments majeurs et en traces. En effet, le pouvoir discriminant de ces deux types d'analyses ne s'applique pas aux mêmes roches. Les structures majeures hydrauliquement conductives dans les massifs cristallins alpins ont été définies. On citera principalement les fractures isolées, les zones fortement fracturées et tectonisées, les zones de kakirites, la zone décomprimée, la zone fauchée, les contacts entre unités hydrogéologiques distinctes et les grandes structures métasédimentaires. Les caractéristiques hydrauliques et physico-chimiques des eaux associées à chacun des types de structures définis ont été déterminées. Ces structures sont très redressées et induisent des circulations d'eau proches de la verticale, de la surface vers l'ouvrage. Les zones d'infiltration des eaux déterminées sur la base de l'orientation des structures majeures co0incident généralement avec les altitudes calculées sur la base des analyses isotopiques (0- 18) des eaux. Quelques anomalies ont cependant été mises en évidence. Elles sont relatives principalement à des circulations dans la zone décomprimée ou dans des terrains de couverture quaternaire. Des relations entre les eaux de surface (lacs de retenue ou rivières) et les ouvrages souterrains ont également été mises en évidence sur base de l'interprétation des résultats isotopiques. De nombreuses venues d'eau sont pauvres en tritium et attestent de temps de transit jusqu'à l'ouvrage de l'ordre de plusieurs décennies, en relation avec les faibles perméabilités observées en profondeur. Ces eaux sont souvent riches en sodium, du fait de l'altération des silicates contenus dans la roche. Les eaux plus récentes ont été rencontrées à faible profondeur, dans la zone décomprimée ou en association avec un grand accident géologique. Les exemples d'interaction entre les ouvrages souterrains et les sources sont systématiquement liés à d'importantes venues d'eau dans les ouvrages au travers soit de la zone décomprimée du massif, soit d'une zone particulièrement transmissive connectée avec la surface. Ces exemples montrent que dans ce milieu fissuré, extrêmement compartimenté et anisotrope, le tarissement de sources n'est pas lié à un abaissement progressif d'une nappe le long de l'ouvrage mais à des venues très ponctuelles et localisées. Un modèle conceptuel de l'hydrogéologie du cristallin alpin est proposé dans ce travail. Il est accompagné d'un modèle d'interaction entre un ouvrage et le milieu naturel. Il doit aider le maître d'oeuvre à prévoir les venues d'eau dans les ouvrages souterrains et à adopter la solution optimale pour minimiser l'impact de l'ouvrage sur les ressources en eau.

L'objectif principal de cette thèse est de proposer une nouvelle approche de modélisation de la spéléogenèse, susceptible à terme d'acquérir de nouvelles connaissances concernant la mise en place des systèmes karstiques méditerranéens.Il existe plusieurs approches de modélisations numériques de la spéléogenèse,prenant en compte des lois physiques et chimiques contrôlant l'écoulement et la dissolution au sein des aquifères fracturés carbonatés. Néanmoins, les réseaux de vides initiaux considérés par ces modèles ne correspondent en général pas à la réalité de la fracturation.L'approche proposée vise à simuler la karstogenèse au sein d'un aquifère caractérisé par un réseau fracturé, aussi réaliste que possible et satisfaisant des propriétés géométriques.Prenant en compte des paramètres statistiques et géométriques pouvant être obtenus par des observations sur le terrain et des expériences analogiques, il est possible de générer des réseaux 3-D réaliste en termes de position relative des diaclases, qui contrôlé la connectivité globale du réseau.Une fois les réseaux de fractures générés, ceux-ci sont traités afin de construire un maillage incorporé dans un modèle à éléments finis d'écoulement et de transport des eaux souterraines. Les simulations d'écoulement et de transport au sein des réseaux fracturés permettent de déterminer la distribution des vitesses d'écoulement ainsi que de l'âge de l'eau souterraines. Ces distributions sont utilisées pour simuler l'évolution de l'ouverture des différents éléments au moyen de l'application d'une loi empirique dédiée de forme polynomiale.Le calibrage de cette loi est effectué au moyen de tests de type benchmark portant sur des configurations de fracture unique, prenant pour référence des travaux existants, et réalisant des analyses de sensibilité. Des résultats de simulations prenant en compte une matrice carbonatée incorporant la fracture ou le conduit unique, et considérant différentes valeurs de perméabilité matricielle et différentes modalités de recharge, sont présentés. Enfin, des résultats obtenus considérant des configurations caractérisées par une strate carbonatée contenant des réseaux de fractures sont présentés, considérant différentes densités de fracturation, conductivités hydrauliques matricielles et conditions aux limites.