Cette thèse s'articule autour du contrôle optimal et ses applications à des phénomènes naturels tels que les îlots de chaleurs dans des milieux urbains, la pollution dans un environnement marin afin de préserver l'environnement et l'écosystème. Les points d'intérêts des applications de cette thèse rentrent ainsi dans les initiatives internationales et gouvernementales sur les transitions écologiques, énergétiques et aussi du point de vue économique.Pour répondre aux problématiques citées auparavant, nous explorons différents types de modèles. Des modèles mathématiques paraboliques et hyperboliques sont introduits tels que le modèle Navier-Stokes Forchheimer instationnaire couplé avec les équations de Fourier pour les îlots de chaleur urbains, le modèle du transport avec second membre de type Dirac couplé avec les modèle des eaux peu profondes pour la pollution marine et le modèle stationnaire de Navier-Stokes Forchheimer dans le cas de la migration des poissons des eaux salés vers les eaux douces à travers une structure hydraulique du type passe à poissons.Dans un premier temps, nous avions analysé ces modèles de manière théorique liée à l'existence et l'unicité de la solution et les estimations d'erreurs des modèles perturbés par rapport aux modèles originaux.L'étape suivante consistait à une analyse numérique de certaines méthodes éléments finis pour l'approximation des modèles environnementaux.Les applications ont pour objectif de minimiser la chaleur dans des villes urbaines, la pollution dans le milieu marin ainsi les effets tourbillonnaires dans les passes à poissons. Nous utilisons des algorithmes du type gradient projeté pour optimiser l'emplacement des espaces vert en milieu urbain comme solution du problème d'îlots de chaleur, et la descente du gradient à pas fixe pour minimiser la pollution marine où le gradient de la fonction coût est lié au système adjoint et dans le cas des passes à poissons, la technique d'optimisation topologique de type Lagrangienne. Nous avions implémentés les méthodes proposées sous Freefem++ et nous avions mis en évidence la précision et la robustesse des méthodes numériques suggérées.