La présente étude est une contribution à la connaissance de la géochimie des eaux de la partie inférieure du bassin versant de la rivière N’djili située à l’Est de Kinshasa (République Démocratique du Congo). Les eaux de surface ont été échantillonnées sur six sites de prélèvements au cours de la période allant d’avril 2005 à février 2006, deux sites supplémentaires ont été ajoutés sur le fleuve Congo à partir de 2007. Onze campagnes d’échantillonnages ont permis un suivi annuel (avril 2005 à février 2006), trois autres ont eu lieu de mai à juillet 2007 et vingt-deux autres d’octobre 2008 à octobre 2009. Les paramètres physico-chimiques suivants ont été mesurés :température, pH, conductivité, alcalinité, oxygène dissous. Les dosages des éléments majeurs (anioniques et cationiques) et de certains éléments traces ont été effectués pour étayer cette étude géochimique. <p><p>Il ressort de cette étude que la température de l’eau prélevée est proche de la température moyenne atmosphérique dans la zone d’étude, ce qui indique un équilibre thermique entre les eaux de surface et l’atmosphère.<p><p>Dans certains cas, les valeurs de pH mesurées peuvent être très basses à cause du lessivage des acides organiques provenant de la végétation en décomposition et de la présence d’anhydride carbonique dissous (Burler et Ison, 1966). A la vue des résultats d’analyse des eaux de pluies, nous pouvons remarquer que l’acidité des eaux prélevées de cette partie du bassin versant serait en partie due à la contribution des précipitations.<p><p>Pour ce qui est de la conductivité, à l’exception du site Matete, les valeurs mesurées sont inférieures à 100 µS/cm, ce qui correspond aux eaux de surface très faiblement minéralisées. Il n’y a pas beaucoup de variation de conductivité entre la saison des pluies, période des hautes eaux, et la saison sèche, période des basses eaux. Ceci nous montre à nouveau qu’il y a une contribution importante des précipitations dans la composition des eaux échantillonnées puisqu’il n’y a pas de grand écart de valeur en l’absence de précipitation.<p><p>La solubilité de l’oxygène dans l’eau diminue lorsque la température augmente, ce qui induit une diminution de la concentration en oxygène à saturation. Le calcul du taux de saturation dans nos échantillons montre que les eaux sont sous-saturées en oxygène. Ceci peut s’expliquer par le fait que ce bassin versant, du moins dans la zone d’étude, subit des rejets d’eaux usées et des rejets de l’usine de traitement des eaux (REGIDESO). Nous soupçonnons la présence d’une pollution organique induisant la consommation de l’oxygène dissous par respiration. <p>Les teneurs des éléments ne sont pas constantes au cours du temps. Certains sont plus abondants que d’autres (en particulier HCO3-, Ca+, Na+, K+, SiO2 et Cl-). Il n’y a pas de variations saisonnières importantes des éléments majeurs. L’ordre d’abondance décroissant pour les cations est Na+>Ca2+>K+>Mg2+ et pour les anions est HCO3->Cl-≈NO3->SO42-.<p><p>La corrélation entre la conductivité électrique et les teneurs en composés chimiques majeurs montre que la conductivité est surtout contrôlée par les bicarbonates, les nitrates, les chlorures, les sulfates, le sodium, le magnésium, le calcium et le potassium. Ces eaux sont particulièrement peu chargées en éléments minéraux dissous, la moyenne des TDS (Total Dissolved Salts) pour chaque site étant largement inférieure à la moyenne mondiale des eaux de rivière, qui est 100 mg/l (Berner et Berner, 1987), tendance également observée pour le calcium (5,7 mg/l pour les rivières africaines et 13,4 mg/l pour la moyenne mondiale). Seul le site de Matete présente une moyenne supérieure à ces valeurs. Pour la silice dissoute, par contre, les concentrations observées sont voisines de la moyenne mondiale (10,4 mg/l).<p><p>Les valeurs du bilan ionique sont en majorité négatives, c’est-à-dire qu’elles traduisent un excès d’anions. Le calcul du bilan ionique a été effectué pour chaque point de prélèvements, pour les deux dernières séries de campagnes de prélèvements, soit de mai à juillet 2007 et d’octobre 2008 à octobre 2009.<p><p>Cette étude nous a permis de dégager des groupes au comportement commun qui reflètent des faciès géochimiques différents et dont les plus importants sont les suivants :(1) Le faciès bicarbonaté calcique :il correspond aux eaux provenant des écoulements sur des roches hypersiliceuses (grès, quartzites). Le magnésium est le deuxième cation dominant après le calcium pour le site de prélèvements CFAM (Confluence Fleuve Amont) représentant plus de 20% de la teneur en cations. Et, (2) Le faciès bicarbonaté sodique :il correspond au point de prélèvement Kwambila qui, bien que situé sur une roche hypersiliceuse, présente le sodium comme cation dominant et les nitrates comme anions dominants après les bicarbonates. Ce point de prélèvement est caractérisé par une activité agricole induisant l’utilisation de fertilisants azotés. L’élevage porcin est également pratiqué dans cette région. Ces activités humaines pourraient expliquer la prédominance du sodium et du nitrate dans cette région pour toutes les saisons confondues. <p> <p>SUMMARY<p>The present study contributes to a better understanding of the water<p>geochemistry in the N’djili river catchment, East from Kinshasa (Democratic<p>Republic of Congo). Surface waters have been collected at six sampling sites during the period from April 2005 and February 2006. Two additional sampling sites have been added since 2007. Eleven sampling campaigns allowed an annual<p>follow-up (April 2005 to February 2006), three others took place from May to<p>July 2007 and twenty-two additional ones from October 2008 to October 2009.<p>The physico-chemical parameters that have been measured are as follows:<p>temperature, pH, conductivity, alkalinity, dissolved oxygen. The measurement of<p>major elements (anions and cations) and some trace elements has been<p>performed in order to support this geochemical investigation.<p>The temperature of the riverine waters appears to be close to the mean air<p>temperature in the study area, indicating a thermal equilibrium between surface<p>waters and the atmosphere.<p>In some cases, values pH measured can be very low due to the leaching of<p>organic acids originating from both decomposing vegetation and the presence of<p>dissolved carbon dioxide (Burler and Ison, 1966). Based on the analyses of the<p>rain waters, one can note that the acidity of riverine waters results partially from<p>the atmospheric precipitation.<p>Regarding conductivity, with the exception of Matete area, the values are below<p>100 μS/cm, which corresponds to weakly mineralized surface waters. Little<p>variation in conductivity was observed between rainy and dry seasons is low,<p>suggesting again an important control of the riverine water composition by the<p>precipitation.<p>Oxygen solubility in the riverine waters decreases with increasing temperature,<p>which results in a decrease of dissolved oxygen content. The calculation of the<p>saturation state in our samples show that the riverine waters are undersaturated<p>with oxygen. This phenomenon can be explained by the fact that the river<p>catchment, at least for the study area, is subjected to untreated and treated<p>sewage effluent releases. One may expect an organic pollution leading to a<p>consumption of dissolved oxygen by respiration.<p>The concentrations of dissolved elements are variable with time. Some are more<p>abundant than others (especially HCO3-, Ca+, Na+, K+, SiO2 and Cl-). There is no<p>major seasonal variability for the major dissolved elements. The abundance<p>decreases in the orders Na+>Ca2+>K+>Mg2+ and HCO3->Cl-≈NO3->SO42- for<p>cations and anions, respectively.<p>Correlation between conductivity and major element concentrations show that<p>the former is mainly dictated by bicarbonates, nitrates, chlorides, sulfates,<p>sodium, magnesium, calcium and potassium. These riverine waters are<p>particularly low in dissolved minerals, the mean TDS (Total Dissolved Salts) for<p>each site being largely lower than the global average for rivers (i.e. 100 mg/l,<p>Berner and Berner, 1987). Calcium displays the same trend, with 5.7 mg/l for<p>African rivers in comparison with a global average of 13.4 mg/l. Only Matete area<p>exhibits a mean higher than these values. For dissolved silica, however, the<p>measured contents are close to the global average (i.e. 10.4 mg/l).<p>The values of the ionic balance are negative most of the time, suggesting an<p>excess in anions. The calculation of the charge balance has been realised for<p>each sampling location, during the two last campaigns (i.e. May 2007 - July 2007<p>and October 2008 – October 2009).<p>This study sheds some light on the groups of elements exhibiting a common<p>behaviour but reflecting different geochemical facies. The most important ones<p>are the following: (1) calcium bicarbonate facies: it corresponds to the water<p>run-off from silicate rocks (sandstone, quartzite). Magnesium is the second<p>dominant cation (after calcium) for the CFAM (“Confluence Fleuve Amont”)<p>sampling site, accounting for more than 20% of cation load. And (2) sodium<p>bicarbonate facies: it corresponds to the Kwambila sampling site, where sodium<p>is present as dominant cation and nitrates as dominant anion (after<p>bicarbonates). This sampling site is characterized by agricultural activities<p>entailing the use of nitrogen-rich fertilizers. Pig farming is also practiced in this<p>region. Theses human activities could therefore explain the predominance of<p>both sodium and nitrate in this area, irrespective of the season.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The continuous demand on new residential and economic areas of the modern society has to face up with problems posed by polluted sites related to former industrial activities, typically located in suburbs areas. These sites, known as brownfields, are often located nearby navigable rivers to facilitate transport operations of industrial manufacturing, which increase their potential environmental threat due to the possible migration of pollutants in groundwater to surface water bodies through groundwater discharge. In this context, the objective of this research, performed in the scope of the FP6-IP AquaTerra project, was to contribute to a better assessment of the risk of groundwater contaminant dispersion for a brownfield located next to the Meuse River (Belgium), in a context where strong groundwater - surface water interactions prevail. The brownfield of interest corresponds to the site of the former coke factory of Flémalle. Resulting from industrial activities, soil and groundwater located in the alluvial aquifer are heavily contaminated with various types of organic (BTEX, PAHs, mineral oils...) and inorganic (As, Zn, Cd...) pollutants. To do so, detailed characterisation campaign was performed, consisting of, on the one hand, classical field experiments such as pumping tests, injection tests and tracer experiments; on the other hand, advanced and original field experiments such as detailed monitoring of groundwater - surface water interaction and dynamics, and the development and application of an innovative tracer technique, the Finite Volume Point Dilution Method (FVPDM), used to quantify and monitor groundwater fluxes. Monitoring and field works data was subsequently used to develop and calibrate a groundwater flow model using the finite difference code MODFLOW, with an automatic parameter estimation approach based on an original combined regional scale (zonation) and local scale (pilot points) approach. A transport model was also developed using MT3DMS and calibrated using tracer experiments performed in the brownfield. This groundwater flow and transport model was used to better quantify the dynamics of groundwater - surface water interactions and to model various scenarios of contaminant dispersion through the aquifer - river system. For these scenarios, benzene was considered because it is one of the main pollutants encountered in the site, its large solubility and mobility in groundwater and its acute toxicity. These scenarios were established considering various groundwater flow conditions (steady state vs. transient) and various hydrodispersive processes possibly affecting the mobility of benzene in groundwater, namely advection, hydrodynamic dispersion, sorption - desorption and, as evidenced by the research results of the University of Neuchâtel (Switzerland), benzene degradation under sulphate reducing conditions. These simulations indicate that benzene attenuation is mainly controlled by ongoing benzene degradation processes, aquifer heterogeneity and river stage fluctuations. Based on this analysis, the risk of benzene dispersion is low, and monitored natural attenuation (MNA) is a valuable option with (1) monitoring benzene at control planes downstream from the sources; (2) further investigation on risk of sulphate depletion in the alluvial aquifer; and (3) further investigation on mobilisation/immobilisation of heavy metals related to dynamics of organic pollutant plumes.

Le présent projet vise à documenter la nécessité d’augmenter notre connaissance de la présence des contaminants organiques tels que les médicaments dans l’environnement et d’évaluer leur devenir environnemental. On a étudié la présence de composés pharmaceutiques dans différents échantillons d'eau. On a focalisé nos efforts spécialement sur les échantillons d'eau de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et ses effluents, les eaux de surface avoisinantes et l’eau du robinet dans la région de Montréal. Pour ce faire, on a tout d’abord développé deux méthodes analytiques automatisées basées sur la chromatographie liquide avec extraction en phase solide (SPE) couplée à la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). On a également étudié les performances des trois techniques d'ionisation à pression atmosphérique (API), pour ensuite les utiliser dans la méthode analytique développée. On a démontré que l'ionisation par électronébulisation (ESI) est une méthode d'ionisation plus efficace pour l'analyse des contaminants pharmaceutiques dans des échantillons de matrices très complexes comme les eaux usées. Une première méthode analytique SPE couplée à la LC-MS/MS a été développée et validée pour l'étude des échantillons complexes provenant de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et des eaux de surface près de l'usine. Cinq médicaments de prescription ont été étudiés: le bézafibrate (un régulateur de lipides), le cyclophosphamide et le méthotrexate (deux agents anticancéreux), l'orlistat (un agent anti-obésité) et l’énalapril (utilisé dans le traitement de l'hypertension). La plupart de ces drogues sont excrétées par le corps humain et rejetées dans les eaux usées domestiques en faisant par la suite leur chemin vers les usines municipales de traitement des eaux usées. On a pu démontrer qu'il y a un faible taux d’élimination à l'usine d'épuration pour le bézafibrate et l'énalapril. Ces deux composés ont aussi été détectés dans les eaux de surface sur un site à proximité immédiate de la décharge de l’effluent de la station d'épuration. i En observant la nécessité de l'amélioration des limites de détection de la première méthode analytique, une deuxième méthode a été développée. Pour la deuxième méthode, un total de 14 contaminants organiques, incluant trois agents anti-infectieux (clarithromycin, sulfaméthoxazole et triméthoprime), un anticonvulsant (carbamazépine) et son produit de dégradation (10,11-dihydrocarbamazépine), l'agent antihypertensif (enalapril), deux antinéoplastiques utilisés en chimiothérapie (cyclophosphamide et méthotrexate), des herbicides (atrazine, cyanazine, et simazine) et deux produits de transformation de l’atrazine (deséthylatrazine et déisopropylatrazine) ainsi qu’un agent antiseptique (triclocarban). Ces produits ont été quantifiés dans les eaux de surface ainsi que dans l’eau du robinet. L'amélioration des limites de détection pour cette méthode a été possible grâce à la charge d'un volume d'échantillon supérieur à celui utilisé dans la première méthode (10 mL vs 1 mL). D'autres techniques de confirmation, telles que les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle et la mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol, ont été explorées. L'utilisation d'un analyseur de masse à temps d’envol a permis la confirmation de 6 des 14 analytes. Finalement, étant donné leur haute toxicité et pour évaluer leur persistance et leur transformation au niveau du traitement des eaux potables, la cinétique d'oxydation du cyclophosphamide et de méthotrexate avec l'ozone moléculaire et des radicaux OH a été étudiée. Les constantes de dégradation avec l'ozone moléculaire ont été calculées et la qualité de l'eau après traitement a pu être évaluée. Le rendement du processus d'ozonation a été amélioré pour la cyclophosphamide dans les eaux naturelles, en raison de la combinaison de réactions directes et indirectes. Cette étude a montré que l'ozone est très efficace pour oxyder le méthotrexate mais que le cyclophosphamide serait trop lent à s’oxyder pour un traitement efficace aux conditions usuelles de traitement de l’eau potable. / This project aims to document the need to increase our knowledge of organic contaminants such as pharmaceuticals in the environment and to assess their environmental fate. We studied the presence of pharmaceutical compounds in different water samples. We studied their presence in wastewater samples from the treatment plant of the City of Montreal, effluents, surface and tap water. To do this we developed two analytical methods based on solid phase extraction (SPE) coupled to liquid chromatography -tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). . The performance of three atmospheric pressure ionization (API) techniques was also studied for their subsequent use in the developed method. It was demonstrated that electrospray ionization (ESI) is a more effective ionization method for the analysis of pharmaceutical contaminants in samples as complex as wastewaters. A first analytical LC-MS/MS method, was developed and validated for the investigation of samples from the wastewater treatment plant and surface waters near the plant of Montreal. Five prescription drugs were studied: bezafibrate (lipid regulator), cyclophosphamide, and methotrexate (two anticancer agents), orlistat (an anti-obesity agent) and enalapril used in the treatment of hypertension. Most of these drugs are excreted by the human body in high percentages and released into domestic wastewaters, making their way to the municipal wastewater treatment plants. It was demonstrated that there is a low rate of elimination at the wastewater treatment plant for bezafibrate and enalapril. These two compounds were also detected in surface waters on a site close to the discharge of the treatment plant effluents. For this first analytical method we observed the necessity of improvement of the detection limits of the method. A second method was then developed to improve the detection limits and to study a total of 14 organic contaminants, including three antiinfective agents (clarithromycin, sulfamethoxazole and trimethoprim), an anticonvulsant (carbamazepine) and its degradation product 10,11-dihydrocarbamazepine, the iii antihypertensive agent (enalapril), two antineoplastic (methotrexate and cyclophosphamide), herbicides (atrazine, cyanazine, and simazine) and two transformation products of atrazine (desethylatrazine and déisopropylatrazine) and an antiseptic agent (triclocarban). These products were quantified in surface water and tap water. The improvement of the detection limits of this method was possible due to the loading of a greater sample volume than that used in the first method (10 mL vs 1 mL). Other confirmation techniques, such as the data-dependent reverse energy ramp scan on a triple quadrupole and accurate mass measurements on a time-of-flight mass spectrometer were explored. Using time-of-flight mass spectrometer determinations allowed the confirmation of six of the 14 analytes. Finally, due to their toxic properties, the oxidation kinetics of cyclophosphamide and methotrexate with molecular ozone and OH radicals was studied in bench scale. The degradation constants with molecular ozone were calculated and the water quality after treatment was assessed. The overall process performance was improved for cyclophosphamide in natural waters, due to the combination of direct and indirect reactions. The study showed that ozone is very effective for the oxidation of methotrexate, but cyclophosphamide is too slowly oxidized for an effective drinking water treatment under usual conditions.

Thèse (M.Sc.T.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2006. / La p. de t. porte en outre: Mémoire présenté à l'Université du Québec à Chicoutimi comme exigence partielle de la maîtrise en science[s] de la terre. CaQCU Bibliogr.: f. 120-125. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

No description available.

Les changements globaux sont aujourd’hui une réalité et les activités humaines à l’origine de ces bouleversements tendent à augmenter avec par exemple l’utilisation toujours plus importante de produits chimiques. Les pollutions résultantes peuvent alors avoir un fort impact sur les écosystèmes, en particulier ceux d’eaux douces de surface.Cette thèse a d’abord montré au travers d’un échantillonnage à haute fréquence d’une rivière typiquement méditerranéenne (la Têt), lors d’un évènement pluvieux intense caractéristique, que des phénomènes de multicontaminations ont lieu avec la présence dans les eaux naturelles de sels nutritifs, éléments trace métalliques, pesticides et produits pharmaceutiques entre autres. Ces phénomènes de contaminations multiples sont principalement liés aux débordements du réseau urbain d’évacuation des eaux qui ont lieu au travers des débordements de déversoirs d’orage. Cette étude a également montré, grâce à l’utilisation de la nouvelle technique de séquençage haut-débit MiSeq, que les changements dans les diversités structurelles des communautés bactériennes aquatiques de la matière en suspension évoluent principalement en fonction de l’hydrodynamique de la rivière, les plus fortes dissimilarités entre les communautés s’observant lors du pic de débit. Les paramètres physico-chimiques environnementaux ont également un impact majeur sur la structure des communautés, ce qui pourrait amener suite à l’exploration des taxons bactériens associés à une dynamique de contaminations caractéristiques, à la découverte de biomarqueurs spécifiques de ces phénomènes. / Global changes cannot be ignored nowadays and human activities causing these disruptions tend to increase with, for example, the growing use of chemicals. The resulting pollution can then have a strong impact on ecosystems, in particular those of fresh surface waters.This thesis first showed through a high-frequency sampling of a typically Mediterranean river (the Têt River), during a characteristic intense rainy event, that multicontaminations occur with the presence in natural waters of nutrients, trace metals, pesticides and pharmaceuticals among others. These multicontamination phenomena are mainly related to the overflows of the sewage system that take place through storm overflows. This study has also shown, through the use of the new MiSeq high-throughput sequencing technique, that changes in the structural diversities of aquatic bacterial communities of suspended matter evolve mainly according to the hydrodynamics of the river, the strongest dissimilarities between the communities being observed during peak flow. The physico-chemical environmental parameters also have a major impact on the structure of communities, which could lead to the exploration of bacterial taxa associated with a characteristic contaminations dynamic, to the discovery of specific biomarkers of these phenomena.

Dans un contexte où les changements climatiques se manifestent sous forme de phénomènes climatiques extrêmes tels que des sècheresses prolongées et des précipitations abondantes soudaines, la question de la texture des sols urbains et de la protection des sources d’eau fait l’objet de nouvelles préoccupations en matière de planification urbaine. Alors que la régulation et la filtration de l’eau de ruissèlement sont restreintes par l’imperméabilité des surfaces urbaines, plusieurs métropoles, dont São Paulo, peuvent se retrouver en situation de crises dues à l’indisponibilité de l’eau potable, aux inondations subites ou à la création d’îlots de chaleur. L’efficacité de la gouvernance environnementale appliquée à la gestion des eaux en milieu métropolitain devient donc primordiale. Par une étude de cas de la métropole de São Paulo, la présente recherche tente d’élucider les facteurs rendant possible l’atteinte d’un modèle de gouvernance environnementale métropolitain qui permettrait de maintenir les fonctions écosystémiques des bassins versants et de construire la résilience à la variabilité climatique. La stratégie d’enquête, basée sur l’analyse de documents scientifiques et gouvernementaux, l’observation participante et la tenue d’entretiens semi-dirigés, permit de soulever plusieurs obstacles à l'application des politiques publiques de protection des espaces verts et des sources d’eau. La carence de maîtrise de l’usage des sols, la priorisation des intérêts économiques, la sectorisation des instances gouvernementales et la faible intégration de la société civile au processus de prise de décision surgissent comme d’importants freins à la construction d’une gouvernance environnementale à São Paulo. La considération des savoirs scientifiques et locaux et la gestion du risque lié à la variabilité climatique sont marginalisées par la sphère politique. Ainsi, la présence d’une vaste législation environnementale, telle qu’en vigueur dans la métropole de São Paulo, ne signifie pas forcément une application des projets et des règlements sans faille. / In a context where climate changes are manifested by extreme climatic events such as prolonged droughts and sudden abundant rainfall, the issue of urban soil texture and water protection is a new concern in urban planning. While the regulation and filtration of runoff water is restricted by the impermeability of urban surfaces, several cities, including São Paulo, may end up in crisis due to the unavailability of drinking water, floods or creation of heat islands. The effectiveness of environmental governance applied to water management in metropolitan areas therefore becomes paramount importance. Through a case study of the metropolis of São Paulo, this research attempts to elucidate the factors that make it possible to achieve a metropolitan environmental governance that would maintain watersheds ecosystem functions and build resilience to climate variability. The research strategy, based on the analysis of scientific and governmental documents, participant observation and semistructured interviews, shows several obstacles to the application of public policies for the protection of green spaces and water sources. The lack of control over land use, the prioritization of economic interests, the governmental sectoralization and the weak integration of civil society into the decision-making process appear as major obstacles to the construction of environmental governance in São Paulo. Scientific and local knowledges and climate risk management are marginalized by the political sphere. Thus, the presence of a vast environmental legislation, as in place in the metropolis of São Paulo, does not necessarily mean an unfailing application of projects and regulations.

Cette thèse a comme objectif d’estimer la variabilité régionale présente et future des trihalométhanes (THM) dans les systèmes d’approvisionnement en eau potable (SAEP) desservis en eau de surface à l’aide de modèles multiniveau. La variabilité régionale des THM a été étudiée à l’aide d’une importante base de données développée dans le cadre de cette thèse et concernant les résultats réglementaires de la qualité de l’eau potable, les infrastructures de traitement, la qualité de l’eau de surface et plusieurs paramètres spatio-temporels pouvant influencer la qualité de la source d’eau (Chapitre 2). Les modèles de régression multiniveaux permettent de considérer la structure hiérarchique des données et ainsi d’étudier la variabilité des échantillons de THM tout en contrôlant pour le regroupement des concentrations de THM entre les SAEP et entre les divisions écologiques du territoire. Dans un premier temps, des modèles de régression linéaire multiniveaux ont été développés pour estimer la variabilité régionale et temporelle d’un indicateur des précurseurs des THM, soit le carbone organique dissous (COD) (Chapitre 3). En utilisant les connaissances acquises lors de cette étude et à l’aide de modèles de régression logistique multiniveaux, nous avons ensuite développé un modèle permettant d’estimer la variabilité régionale de la probabilité que les concentrations de THM dans l’eau potable dépassent un seuil spécifique (Chapitre 4). Ce modèle de régression fut ensuite utilisé afin d’estimer l’impact possible des changements climatiques sur la variabilité régionale future de la probabilité que les concentrations de THM dans l’eau potable dépassent ce même seuil (Chapitre 5). Les modèles de régression multiniveaux ont été très peu utilisés dans le domaine de la modélisation de la qualité de l’eau potable. Or, les résultats de cette thèse ont démontré qu’ils s’avèrent un outil très efficace pour considérer la hiérarchie naturelle des variables permettant de modéliser la qualité de l’eau potable à l’échelle régionale. La base de données développée et l’exploration méthodologique des modèles de régression multiniveaux effectuée dans les différents chapitres de cette thèse offrent une plateforme unique pour les futures études de modélisation concernant la variabilité régionale de la qualité de l’eau potable. Mots clés : eau potable, eau de surface, modèle de régression multiniveau, cadre écologique du territoire, trihalométhanes, sous-produits de la désinfection, carbone organique dissous, changements climatiques / The objective of this thesis is to estimate the present and the future regional variability of trihalomethane (THM) occurrence in drinking water utilities (DWUs) supplied by surface water using multilevel models. The regional variability of THMs was investigated using a large database developed as part of this thesis that takes into account information about regulatory drinking water quality analyses, treatment infrastructures, surface water quality, and many other spatiotemporal parameters that may influence source water quality (Chapter 2). The multilevel models allow for the consideration of the hierarchical structure of the data and the study of variability among THM samples, while controlling for the grouping of THM concentrations within DWUs and at the regional level. At first, multilevel linear regression models were developed to estimate the regional and temporal variability of an indicator of THM precursors (i.e., dissolved organic carbon – DOC) (Chapter 3). Then, using the knowledge acquired in this study and based on multilevel logistic regression models, we developed a model which allows us to estimate the regional variability in the probability of THM concentrations exceeding a specific threshold in drinking water (Chapter 4). Then, this model was used to estimate the possible impact of climate change on the future regional variability in the probability of THM concentrations exceeding the threshold (Chapter 5). Multilevel models have only rarely been used in the field of drinking water quality modelling. And yet results from this thesis demonstrate that they are quite useful in considering the natural hierarchy of variables allowing for the modelling of drinking water quality on a regional basis. The database we developed and the methodological exploration of multilevel regression models that is carried out through the chapters of this thesis offer a useful framework for future modelling studies which examine the regional variability of drinking water quality. Keywords: drinking water, surface water, multilevel regression models, regional ecological framework, trihalomethanes, disinfection by-products, dissolved organic carbon, climate change

Les infrastructures de transport est essentielle au maintien et à l'expansion des activités sociales et économiques dans les régions circumpolaires. À mesure que le climat se réchauffe, la dégradation du pergélisol sous les remblais a entraîné de graves dommages structuraux à la route, entraînant une augmentation importante des coûts d'entretien et une réduction de la durée de vie des infrastructures. Pendant ce temps, l'advection de chaleur déclenchée par les écoulements d’eau souterrains peut altérer le bilan énergétique du remblai et du pergélisol sous-jacent et modifier le régime thermique des remblais routiers. Cependant, peu de recherches ont été effectuées pour comprendre la synergie entre les processus thermiques de surface et souterrains des remblais routiers des régions froides. L'objectif de cette recherche était de comprendre les interactions thermiques entre l'atmosphère, le remblai routier, les écoulements d’eau et le pergélisol dans le contexte du changement climatique. Cette base, de connaissances est nécessaire pour la conception technique, l'entretien des routes et l'évaluation de la vulnérabilité des infrastructures. Les travaux de recherche ont permis de développer de nouvelles méthodes d'analyse thermique pour caractériser et identifier le rôle de l'advection thermique sur le changement de température d'un remblai routier expérimental au Yukon (Canada) en termes d’intensité, de vitesse et de profondeur de l'impact thermique. Les résultats montrent que l'augmentation de la température due aux flux de chaleur advectifs déclenchés par l’écoulement d'eau peut être jusqu'à deux ordres de grandeur plus rapide qu'en raison du seul réchauffement atmosphérique. La recherche a ensuite présenté un bilan énergétique de surface pour quantifier la quantité d'énergie entrant dans le centre et la pente du remblai avec des épaisseurs et des propriétés de neige variables. Le tout a été appuyé par des observations géothermique de plusieurs années et une grande quantité de données météorologiques. Les résultats illustrent que le bilan énergétique de surface est principalement contrôlé par le rayonnement net et moins par le flux de chaleur sensible. Le flux de chaleur transmis à la pente du remblai diminue de façon exponentielle avec l'augmentation de l'épaisseur de la neige et diminue de façon linéaire avec l’installation du couvert de neige et la longueur de la période d’enneigement. De plus, un modèle de bilan énergétique de surface et un modèle cryohydrologique entièrement couplé ont été développés pour étudier l'impact thermique de l'advection de chaleur associée à l'écoulement de l'eau souterraine sur le dégel du pergélisol et le développement de taliks (c.-à-d. zone perpétuellement non gelée dans les zones de pergélisol). Le modèle couplé a réussi à reproduire la tendance à la hausse du plafond du pergélisol (erreur absolue moyenne <0,2 m) au cours de la période 1997-2018. Les résultats montrent que l'advection de chaleur a fourni une source d'énergie supplémentaire pour accélérer le dégel du pergélisol et a doublé le taux d’augmentation de l’épaisseur de la couche active 0,1 m·a-1 à 0,19 m·a-1, par rapport au scénario où aucun écoulement d'eau ne se produit. Le talik s'est initialement formé et développé en fonction du temps sous l’effet combiné des écoulement d’eau, de l'isolation de la neige, de la construction de la route et du réchauffement climatique. Le débit d'eau souterraine a relié des corps isolés de talik et a amené le remblai de la route dans un état thermique irréversible, en raison de la rétroaction de l'eau liquide (effet de chaleur latente) piégée dans le talik. Ces résultats montrent l'importance de l'advection de chaleur induite par l'écoulement d'eau sur le régime thermique de la sous-couche (c.-à-d. la couche de matériau de remblai) et du sous-sol (c.-à-d. le matériau natif sous un remblai) du remblai lorsque le remblai routier intercepte le drainage local. De plus, les résultats obtenus soulignent la nécessité de coupler les processus thermiques de surface et souterrains dans le but d'évaluer la stabilité thermique des routes subarctiques. / Transportation infrastructure is crucial to maintaining and expanding the social and economic activities in circumpolar regions. As the climate warms, degradation of the permafrost causes severe structural damages to the road embankment, leading to large increases in maintenance costs and reductions in its lifespan. Meanwhile, heat advection triggered by mobile water flow can alter energy balance of the embankment and underlying permafrost and modify the thermal regime of road embankments. However, little research has been done to understand the synergy between surface and subsurface thermal processes of cold region road embankments. The overall goal of this research was to elucidate thermal interactions between the atmosphere, the road embankment, mobile water flow, and permafrost within the context of climate change. This knowledge is needed for engineered design, road maintenance, and infrastructure vulnerability assessment. The research first used new thermal analysis to characterize and identify the role of heat advection on temperature change of an experimental road embankment, Yukon, Canada in terms of magnitude, rate and thermal impact depth. It shows that soil temperature increase due to advective heat fluxes triggered by mobile water flow can be up to two orders of magnitude faster than due to atmospheric warming only. The research then presented a novel surface energy balance to quantify the amount of ground heat flux entering the embankment center and slope with varying snow depth and properties, supported by multi-year thermal and meteorological observations. My results illustrate that the surface energy budget is mainly controlled by net radiation, and less by the sensible heat flux. The ground heat flux released at embankment slope exponentially decreased with the increase of snow depth, and was linearly reduced with earlier snow cover and longer snow-covered period. A fully integrated surface energy balance and cryohydrogeological model was implemented to investigate the thermal impact of heat advection associated with subsurface water flow on permafrost thaw and talik (i.e., perennially unfrozen zone in permafrost areas) development. The integrated model successfully reproduced the observed increasing trend of the active layer depth (mean absolute error < 0.2 m) over the 1997-2018 period. The results show that heat advection provided an additional energy source to expedite permafrost thaw, doubling the increasing rate of permafrost table depth from 0.1 m·a-1 to 0.19 m·a-1, compared with the scenario where no water flow occurs. Talik formation and development occurred over time under the combined effect of subsurface water flow, snow insulation, road construction and climate warming. Subsurface water flow connected isolated talik bodies and triggered an irreversible thermal state for the road embankment, due to a local feedback mechanism (latent heat effect) of trapped, unfrozen water in talik. These findings elucidate the importance of heat advection induced by mobile water flow on the thermal regime of embankment subbase (i.e., a layer of fill material) and subgrade (i.e., the native material under an embankment) when the road embankment intercepts the local drainage. Furthermore, the obtained results emphasize the need to couple surface and subsurface thermal processes to evaluate the thermal stability of sub-Arctic roads.

Depuis la construction de l’autouroute 40 dans les années 70 (tronçon Félix-Leclerc), le lac Saint-Augustin s’est grandement enrichi en sels de déglaçage et en métaux lourds. Un marais épurateur construit et adapté (MECA), dans lequel ont été intégrées des plantes halophytes, a donc été implanté afin traiter une partie des eaux de ruissellement provenant de l’autouroute. Le comportement et l’efficacité de ce dernier ont été évalués afin de déterminer si cette technologie était en mesure de pallier à la problématique de contamination. Les observations et les analyses ont permis d’établir que les plantes halophytes sont mal adaptées aux conditions environnementales du MECA et que seulement environ 1% des sels sont emmagasinés dans les plantes. Les concentrations mesurées dans les eaux ont montré que le MECA est efficace pour emmagasiner du sel de déglaçage, principalement en période de temps sec, mais que les quantités accumulées sont peu significatives par rapport aux quantités introduites. / Following the construction of Highway 40 in the 1970s (Félix-Leclerc section), concentrations of de-icing salts and heavy metals in Saint-Augustin Lake have greatly increased. An adapted constructed wetland (MECA) in which halophyte plants were integrated was installed in order to treat part of the highway runoff. The behavior and the effectiveness of the MECA were evaluated to determine if it is an appropriate technology to mitigate the problem of de-icing salts and heavy metals contamination. Observations and analyses have allowed us to establish that halophyte plants are generally not adapted to the environmental conditions of the MECA and that approximately only 1% of the de-icing salts get stored in the plants. Concentrations measured in the water indicate that the MECA is effective at storing de-icing salts, especially during dry weather periods, but that the accumulated amounts of salts are not very significant compared to the introduced amounts.