Les infrastructures de transport jouent un rôle majeur dans le développement socio-économique des régions nordiques. La construction de remblais combinés aux changements climatiques engendrent des impacts négatifs sur le pergélisol sous-jacent, causant la dégradation des infrastructures. Des techniques de mitigation ont été proposées et testées pour limiter la dégradation du pergélisol. Toutefois, il y a peu d'informations disponibles sur les procédures de conception ou sur des lignes directrices. Le but de cette recherche est de développer des outils d'ingénierie améliorés pour les techniques de stabilisation convectives, se concentrant sur le remblai à convection d'air (ACE) et le drain thermique. Plus spécifiquement, l'approche du bilan thermique est proposée pour déterminer la condition thermique de remblais conventionnels et pour permettre la sélection de la technique de mitigation la plus appropriée pour extraire la chaleur en excès transmise au sol, si le système est actuellement instable, ou pour donner un facteur de sécurité considérant une instabilité future estimée. Quatre modèles thermiques ont été développés et calibrés à partir de données mesurées sur des sites expérimentaux. Un abaque de bilan thermique pour les remblais conventionnels ainsi que plusieurs abaques de capacité d'extraction de chaleur pour l'ACE et le drain thermique ont été développés et validés utilisant, respectivement, des simulations numériques et les données de sites d'essais du Yukon et du Nord du Québec, Canada. Ces abaques permettent aux concepteurs et ingénieurs de concevoir des remblais à convection d'air et des drains thermiques optimisés pour limiter, ou même éviter, le dégel du pergélisol à des sites spécifiques. / Transportation infrastructure plays a vital role in the social and economic development of northern regions. The construction of embankments and climate change can lead to negative impacts on the underlying permafrost, causing degradation of the infrastructure. Mitigation techniques have been proposed and tested to limit permafrost degradation. However, there is limited information on the design procedures or guidelines. The purpose of this research is to develop improved engineering tools for convective stabilization techniques, focussing on air convection embankment (ACE) and heat drain. More specifically, the heat balance approach is proposed to determine the thermal condition of conventional embankments and to allow the selection of suitable mitigation techniques to extract the amount of extra heat flowing into the foundation, if the system is currently unstable, or give a safety factor considering estimated future instability. Four thermal models have been built and calibrated with field data from experimental sites. One heat balance chart for conventional embankments and, several heat extraction capacity charts for ACE and heat drain have been developed using numerical simulations and have been validated using data from test sites in Yukon and Northern Quebec, Canada. These charts allow designers and engineers to design optimized ACE and heat drain to limit or even avoid the thawing of permafrost at specific sites.

Les Îles-de-la-Madeleine sont situées dans le golfe du Saint-Laurent et donc sont entourées d'eau salée. En raison d'une absence d'un réseau hydrique de surface important, l'eau douce souterraine est l'unique source d'eau potable pour les Madelinots. L'eau douce souterraine de l'archipel est contenue dans un aquifère perméable de grès rouge et existe sous forme de lentille qui flotte par densité sur l'eau salée souterraine. En raison de cette configuration, l'exploitation de cet aquifère nécessite des stratégies de gestion complexes en raison de sa vulnérabilité à l'intrusion saline dans les puits de pompage. Compte tenu de l'absence d'eau de surface sur l'archipel, l'étude des résurgences d'eau souterraine en milieu marin est essentielle, car elle représente la décharge principale des eaux souterraines. Le terme résurgence d'eau souterraine fait référence à tout fluide qui au terme de son parcours dans l'aquifère émerge en surface dans la mer. L'objectif principal du projet de recherche est de cartographier les résurgences d'eau souterraine aux îles de la Madeleine. Durant l'automne 2020, une campagne de terrain a été menée pour localiser les zones de résurgences à l'aide de relevés infrarouges et photogrammétriques sur trois sites de l'archipel. Les relevés infrarouges aéroportés permettent de localiser des résurgences d'eau souterraine via l'observation de contrastes de température de surface à un temps donné. 13 relevés ont été effectués et des gradients de température significatifs ont été localisés entre 3 et 10 mètres du rivage et des gradients de température plus faibles ont pu être observés plus au large. L'instrumentation d'une plage d'un des sites d'étude avec des systèmes de piézomètres multiniveaux a statué la présence d'un écoulement souterrain vers la mer, validant la présence de résurgences d'eau souterraine dans le milieu marin. Malgré l'apparente simplicité de la méthode, l'interprétation de ces relevés infrarouges s'est avérée difficile. Le défi principal de l'interprétation des relevés est que l'étendue et la signature thermique des résurgences dans le contexte des îles étaient inconnues. Afin d'étayer l'analyse, des simulations numériques ont été réalisées avec le modèle Heatflow-Smoker qui simule le transport couplé de chaleur et de masse. Un domaine 2D de 300x35m a été développé pour représenter une lentille d'eau souterraine dans une zone côtière. Le modèle est informé par les données recueillies durant la campagne de terrain. La température de surface du milieu marin est calculée à partir des sorties du modèle hydrogéologique, combinées à un bilan analytique d'énergie thermique de surface. Le scénario de base représentant un contexte hydrogéologique similaire à celui des îles de la Madeleine a confirmé la présence de résurgence via le transport de chaleur avec une étendue à proximité de la côte (~5 m). Une étude paramétrique a été réalisée par la suite pour évaluer l'impact de différentes variables sur les résurgences d'eau souterraine en régime permanent et transitoire. La bathymétrie, les milieux humides et l'écoulement souterrain horizontal se sont avérés être des facteurs d'influence importants sur l'étendue et la signature thermique des résurgences d'eau souterraine. À la lumière de ces résultats, démontrer une corrélation entre les résurgences et la température de surface d'un milieu marin est possible, mais nécessite un cadre d'interprétation rigoureux pour valider la présence de résurgences. / The Magdalen Islands in the Gulf of St. Lawrence are surrounded by salt water, and because of a lack of surface water, fresh groundwater is the only source of drinking water for its inhabitants. Fresh groundwater in the archipelago is contained within a permeable red sandstone aquifer, and exists as a lens that overlies the denser saline groundwater. Because of this configuration, exploitation of this aquifer requires complex management strategies due to potential saline intrusion in the pumping wells. Given the absence of any surface water bodies on the archipelago, the study of submarine groundwater discharge (SGD) is essential since it represents the main natural discharge for groundwater. SGD is driven by differences in hydraulic head, and causes fresh groundwater to flow from the aquifer into the marine environment. Interest in studying submarine groundwater discharge (SGD) around the archipelago has recently increased due to its potentially significant effects on marine ecosystems, contaminant pathways, as well as on the refinement of water budgets for the islands' groundwater resources. The main objective of this study is to map the SGD at the Magdalen Islands using thermal infrared remote (TIR) sensing. During the autumn of 2020, an experimental field campaign was conducted to locate potential SGD zones using infrared and photogrammetric surveys at three different sites on the archipelago. Unmanned aerial thermal infrared surveys can detect SGD based on temperature contrasts at a given time in marine environments. Thirteen surveys were carried out and significant temperature gradients were located 3 to 10 meters from the shore while smaller temperature gradients were observed further from the shore. Some multilevel piezometers were installed on a beach at one of the study sites (Ch.du Bassin Est, île de la Grande-Entrée) and showed small hydraulic gradients, validating limited groundwater flow rates into the marine environment. Despite the apparent simplicity of the method, the interpretation of these surveys has proven challenging, including unexplained seasurface temperature (SST) contrasts as well as the extent of the SGD. In order to support the analysis, numerical simulations were conducted with the Heatflow-Smoker model which simulates coupled density-dependent flow, heat and mass transport. A 300x35 m vertical 2D domain is used to represent a groundwater lens in a coastal area with saltwater intrusion and is informed by data collected during the field campaign. SST is computed from the 2D hydrogeological model results, combined with an analytical sea surface thermal energy budget. The base case scenario representing a hydrogeological context similar the Magdalen Islands confirmed small SGD locations close to the shore. A parametric study was performed to evaluate the impact of different variables, including bathymetry, coastal swamps, and physical parameters, on SGD and SST, under steady state and transient tidal conditions. Bathymetry, swamps and horizontal groundwater flow showed to be the important drivers of SGD. In light of the results, proving correlations between SGD and SST is possible but requires a rigorous interpretation framework to validate the presence of SGD.