Ce travail s'intéresse aux altérations des systèmes fluviaux et à leur modélisation à une échelle de temps intermédiaire, de l'ordre de quelques décennies, et à l'échelle spatiale de bassins versants étendus et complexes. Une revue de la littérature montre que cette question reste principale chez les géomorphologues. Elle permet de dégager les constantes des différents modèles conceptuels qui ont été développés et en particulier i) la dépendance aux conditions hydrologiques et aux conditions d'alimentation solide, ii) la réaction du système pour s'adapter en cas d'altération de ces conditions, et iii) la propagation de ces perturbations avec une atténuation progressive vers l'aval du bassin versant. Nous avons choisi d'étudier plus particulièrement les perturbations introduites par les aménagements hydroélectriques à l'échelle du bassin versant en développant un modèle conceptuel, basée sur une description volontairement limitée des altérations hydrologiques et d'alimentation solide, et sur la connaissance experte pour la prédiction de l'évolution de la morphologie des rivières alluviales. L'objectif est la détermination des trajectoires d'évolution de variables représentatives de la morphologie de la rivière qui les font évoluer d'un état d'équilibre dynamique à un autre. Nous avons testé ce modèle sur une représentation du bassin versant de l'Isère à l'amont de Grenoble (5818 km2) en intégrant une description du schéma complexe d'aménagements hydroélectriques construits dans la deuxième moitié du XXème siècle. La modélisation donne des résultats cohérents avec les observations du système mais qui sont limitées par les hypothèses fortes d'un équilibre initial du système fluvial et de l'unicité de l'origine des perturbations. En dernière partie, nous ébauché le développement d'un modèle numérique simplifié destiné à prendre en compte la période de transition entre les états d'équilibre dynamique. Ce modèle permet d'évaluer la durée de la période transitoire d'un tronçon de rivière et de valider l'utilisation du concept de débit morphogène qui est fait dans le modèle conceptuel des équilibres dynamiques. Ce modèle permet de simuler la superposition d'altérations mais, dans l'état actuel, il ne permet pas de modéliser la cinétique de la propagation des altérations amont vers l'aval du bassin versant. Mots-clés : morphologie fluviale, bassin versant, régime hydrologique, apports sédimentaires, aménagements hydroélectriques, trajectoires de ajustements, cinétique de évolution du lit. / Abstract This work focuses on the geomorphological dynamics of a river system and the modelling of these changes over a medium time scale (the order of a few decades) and a large watersheds spatial scale (the order of 5000 km2). A literature review shows that this subject is one of the main issues in fluvial geomorphology today. It reveals the constants of different conceptual models that have been developed and in particular i) the dependence of geomorphological dynamics on hydrological flow regime and sediment supply conditions, ii) the ability of the system to adapt, in case of alteration in hydrological flow regime and sediment supply, and iii) the spread of these disturbances with the gradual attenuation of the effect of alteration downstream. In particular, we chose to study the effect of disturbances introduced by hydroelectric structures on the river morphology at the watershed scale by developing a conceptual river morphology model. The model outline was based on a, deliberately limited, description of hydrological regime and -sediment supply alterations, and on expert knowledge to predict the morphological evolution in alluvial rivers. The objective of this work was to determine the direction of evolution trajectories of the river morphology, trough representative variables that evolve from one dynamic equilibrium state to another. We tested the model on a representation of the Isère watershed, upstream of Grenoble, France (5818 km2), incorporating a description of the complex pattern of hydropower structures, built during the second half of the XXth century. The modelled changes in river morphology give results that are consistent with the observations. However, the model is limited by two strong assumptions: i) the initial equilibrium of the system and ii) the synchronisation of the disturbances. In the final section, we described the development of a simplified numerical model which aims to take into account the transient period between the dynamic equilibrium states. This model is used to evaluate the duration of the relaxation period for a river reach and validate the use of the channel-forming discharge concept that was used in the conceptual model. The model simulates the overlay of the disturbances, but in the current state it is not capable of modelling the kinetic propagation of the disturbances downstream into the watershed. fluvial morphology, watershed, hydrological flow regime, sediment supply, hydropower structures

Le rôle de la méiofaune sur le fonctionnement des biofilms lotiques a été examiné par l'étude de son effet potentiel sur la capacité de consommation de l'azote des biofilms, au cours de quatre expérimentations. Les deux premières (Chapitres 2 et 3) concernent les biofilms épilithiques (phototrophes) tandis que les deux autres ont porté sur les biofilms (hétérotrophes) de la zone hyporhéique. Les biofilms sont soumis (1) à différents niveaux de densités (méiofaune) et à un enrichissement en nutriments ou (2) à différents niveaux de diversité (biofilm/méiofaune/macrofaune). Une partie des microcosmes présentant chaque niveau de diversité a été exposée à l'effet d'un herbicide, le diuron. Dans l'ensemble, la méiofaune associée aux biofilms des microcosmes était largement dominée par les rotifères. Les résultats basés sur les biofilms phototrophes montrent que les rotifères peuvent répondre à court terme, à un enrichissement en N-NO3 par une augmentation significative de leur densité et biomasse. De plus, le taux de consommation de N-NO3 est apparu significativement plus élevé dans les microcosmes dont les densités de méiofaune étaient les plus élevées. Cet effet positif de la méiofaune sur la consommation de N- NO3 par les biofilms a été retrouvé dans l'étude basée sur le biofilm hyporhéique pour les microcosmes non soumis aux effets du diuron. Dans l'ensemble, ce travail met donc en évidence le rôle significatif que peut avoir la méiofaune dans les processus de consommation de l'azote par les biofilms lotiques. De plus, les résultats suggèrent fortement que les invertébrés interagissent avec les micro-organismes impliqués dans les processus de réduction des concentrations en azote, dans le biofilm phototrophe comme dans le biofilm hyporhéique. Enfin, l'exposition à l'herbicide a engendré une modification significative du taux de consommation de N-NO3 dans les microcosmes hyporhéiques. Cependant, la comparaison du taux de consommation moyen de N-NO3 entre les traitements exposés à l'herbicide et ceux non exposés, a montré que la présence des invertébrés (méiofaune + macrobenthos) a significativement réduit l'effet du diuron sur ces processus. Cette étude met en exergue le rôle potentiellement important des interactions micro- organismes - invertébrés dans (1) le cycle de l'azote des biofilms et donc, dans les fonctions relatives à leur contribution aux processus " d'auto-épuration " des cours d'eau, et (2), dans la capacité de résistance des écosystèmes hyporhéiques face aux perturbations chimiques. / The role of meiofauna on the functioning of riverine biofilms was examined by studying their potential effect on nitrogen consumption capacity of biofilms in four experiments (Chapters 2 and 3: epilithic phototrophic biofilms; Chapters 4 and 5: heterotrophic biofilms of hyporheic zone). Biofilms are subjected to (1) different levels of densities (meiofauna) and nutrient enrichment or (2) different levels of diversity (biofilm/meiofauna/macrofauna). A part of the microcosms of each level of diversity was exposed to the effect of an herbicide, diuron. Overall, biofilm-associated meiofauna in microcosms was dominated by rotifers. Results in phototrophic biofilms showed that the response of rotifers to short-term nutrient enrichment was significant increases in their density and biomass. In addition, N-NO3 uptake rates appeared significantly higher in microcosms with highest meiofauna densities. This positive effect of meiofauna on biofilm N-NO3 uptake was also found in hyporheic biofilm microcosms, but not under the effect of diuron. Therefore, this thesis highlights that meiofauna can have a significant role in nitrogen consumption processes by lotic biofilms. In addition, the results strongly suggest that invertebrates interact with microorganisms involved in the reduction processes of nitrogen concentrations in the phototrophic biofilm as well as the hyporheic biofilm. Finally, the herbicide exposure resulted in a significant modification of N-NO3 uptake rate in hyporheic microcosms. However, the comparison of the average N- NO3 uptake rate between treatments exposed to herbicide and those unexposed, showed that the presence of invertebrates (meiofauna + macrofauna) significantly reduced the effect of diuron on these processes. This study highlights the potentially important role of microorganism-invertebrate interactions (1) in the nitrogen cycle of biofilms and thus functions related to their contribution to the "self-purification" process in streams, and (2) in resilient capacity of the hyporheic ecosystem to chemical perturbations.

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Ce sujet de maîtrise a pour objectif principal d'estimer les apports en eau au lac Saint-Charles: patrimoine écologique et principale source d'eau de la Ville de Québec. Cette estimation des apports en eau, par le biais de la modélisation hydrologique (SWAT) permettra d'optimiser les débits relâchés au barrage Cyrille-Delage (situé à l'exutoire du lac et qui permet l'alimentation de la rivière Saint-Charles) pour les besoins de l'usine d'eau potable de Loretteville, tout en conciliant ces besoins avec ceux de l'écosystème environnant. Bien que la mise en place du modèle ait fait ressortir l'absence d'informations essentielles à la modélisation hydrologique du lac Saint-Charles, comme l'étude pédologique des sols et les données de débits d'entrées au lac, les résultats obtenus sont satisfaisants. Pour pallier le manque de données à la rivière des Hurons, principale tributaire du lac, la méthode de transposition des paramètres a été utilisée pour effectuer une modélisation à l'exutoire de cette dernière. Méthode qui a permise d'estimer les apports au lac. En guise de comparaison, une simulation a été effectuée avec les données de débits de la nouvelle station de jaugeage installée sur la rivière des Hurons en décembre 2007. De cette simulation, un coefficient de Nash et sutcliff (CRI ou le critère de Nash) de 0.42 a été obtenu. D'après l'étude de Sahel et al. (2000), le CRI (NSE ou le critère de Nash) de 0.63 obtenu en calage sur le bassin versant de la rivière Jaune et transposé sur le bassin versant de la rivière des Hurons est adéquat et satisfaisant d'après Santhi et al. (2001) et Bracmort et al. (2006). Par contre, en validation, le CRI de 0.3 n'est pas satisfaisant d'après Moriasi et al. (2007). Le CR2 utilisé, privilégie les petites valeurs, a une performance de 0.65 en calage et 0.45 en validation. Le CR3, qui évalue les volumes, est de 0.95 en calage et 0.98 en validation et le coefficient de détermination de R²= 0.67 en calage et 0.41 validation.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 mai 2023) / Une méthodologie permettant de caractériser la température des eaux pluviales a été développée dans le cadre de cette étude et comprend le suivi de la température du ruissellement au milieu récepteur. Cette méthodologie nécessite des thermographes déployés dans l'air (au soleil et à l'ombre) et dans l'eau (au niveau du ruissellement, des puisards, des regards pluviaux, et du cours d'eau récepteur). Une caractérisation de la pollution thermique induite par le ruissellement sur les surfaces imperméables a été effectuée sur le site Juste Plourde à Rivière-du-Loup. Les eaux de ruissellement ont atteint 27,8 ℃ et la différence entre la température maximale des eaux et la température de l'air moyenne journalière a atteint 7,0 ℃. Des augmentations significatives ont été observées dans le ruisseau recevant ces eaux pluviales pendant des évènements pluvieux allant jusqu'à 3,1 ℃. Plusieurs augmentations rapides de plus de 1 ℃ sur 5 min (quick surges) ont également été observées. La température dans le ruisseau en période de pluie a dépassé le seuil critique de stress thermique pour l'habitat du poisson (en particulier celui de l'omble de fontaine) de 20 ℃, jusqu'à 21,5 ℃. La sensibilité thermique du cours d'eau semble augmenter en temps de pluie. Une diminution significative de la température des eaux pluviales a été observée tout au long du parcours des eaux : du ruissellement aux conduites, des conduites au dernier regard pluvial et de l'émissaire au milieu récepteur. Plusieurs paramètres hydrométéorologiques ont été explorés dans le but de prédire la température de l'eau du ruisseau en période de pluie et la température des eaux de ruissellement. Une corrélation significative a pu être observée entre la température maximale de l'eau du ruisseau en temps de pluie et deux paramètres hydrométéorologiques : la température de l'air moyenne journalière et le débit de l'effluent pluvial. Une corrélation a pu être observée entre la température maximale des eaux de ruissellement et la température de l'air moyenne journalière. Des modèles additifs généralisés ont alors pu être élaborés. Un suivi de l'impact des eaux pluviales sur la qualité des eaux dans le milieu récepteur a également été effectué. L'impact des eaux pluviales sur la déposition de sédiments dans le ruisseau a été exploré. Aucun impact significatif n'a toutefois été détecté. Bien que non concluante, la performance thermique d'un bassin de rétention sec a également été explorée. Sa performance qualitative a été caractérisée en suivant la déposition des sédiments en amont et aval du bassin sec.

Le Québec répertorie officiellement sur son territoire un seul et unique fleuve, le Saint-Laurent. Cependant, la Commission de toponymie du Québec présente une définition qui devrait englober au moins vingt-huit autres rivières. La présente étude tente de rendre compte de cette situation en retraçant les processus évolutifs de l’utilisation du générique « fleuve », par son origine étymologique et son implantation en Amérique. La méthodologie utilisée privilégie une approche comparative de ses définitions sociales et physiques chez les différentes communautés francophones. Le passé et la mentalité des explorateurs et des premiers colons du continent, ainsi que des premiers toponymistes du Québec, seront analysés afin d’illustrer l’impact et le rôle qu’ils ont eus dans les différents processus toponymiques. L’importance du fleuve Saint-Laurent en lien avec l’identité québécoise sera exposée afin de démontrer les raisons pour lesquelles il est le seul cours d’eau possédant le générique « fleuve » dans la province. Le système toponymique québécois sera ensuite analysé afin de comprendre pourquoi un changement tel que l’ajout de vingt-huit fleuves à la nomenclature québécoise serait difficile à effectuer, mais néanmoins souhaitable et quels seraient les impacts d’un tel changement.

Le présent mémoire s’intéresse à la réalisation de la coopération interétatique entre les pays riverains du bassin versant du fleuve Congo, en Afrique. Privilégiant une approche juridique, le travail proposé vise toutefois à dépasser le cadre théorique du partage des ressources en eau douce en abordant la dimension géopolitique propre au sujet d’étude. La présentation de l’état du droit international des cours d’eau permet donc de définir le cadre juridique à l’intérieur duquel s’organise la coopération entre les États tributaires d’un même bassin hydrographique. L’analyse de la coopération, récemment mise en place entre plusieurs riverains du bassin du fleuve Congo, révèle le dynamisme de la Commission internationale du bassin du Congo-Oubangui-Sangha. Toutefois, les pressions qui s’exercent tant au niveau régional qu’international imposent la prudence quant à la gestion de la ressource à moyen et long terme. / The following study deals with the building of cooperation between riparian States of the Congo basin, in Africa. Whilst based on a legal approach, this work goes beyond the theoretical basis of the sharing of freshwater resource, by including geopolitics factors related to the case study. The International law of freshwater resources helps defining the legal framework within which riparian States of a drainage basin organize their cooperation. Recently established, the River basin organization for the Congo “Commission internationale du basin du Congo-Oubangui-Sangha (CICOS)”, proves to be dynamic and proactive. However, pressure coming from regional actors as well as international actors command to be particularly careful about mid-term and long-term management of the water resource in the area.

Le mémoire suivant présente l'étude spatiale et temporelle de la déformation d'un couvert de glace d'un réservoir de barrage réalisée durant l'hiver 2008-09 au barrage Beaumont, situé près de la ville de La Tuque au Québec, Canada. Quarante-quatre pôles furent implantés dans le couvert auxquels étaient fixés deux prismes réfléchissants. Le mouvement de ces prismes fut suivi en continu pendant tout l'hiver avec une station totale robotisée qui réalisait un tour d'horizon chaque heure. La précision des mesures de distance perpendiculaires était de l'ordre du millimètre après avoir corrigé les données brutes en fonction des conditions météorologiques et ajusté par rapport aux deux prismes de référence fixés sur les berges. Le mode opératoire du traitement des mesures a été déterminé grâce aux séries de tests réalisés sur le site de l'Université Laval en extérieur et en laboratoire. En extrapolant les coordonnées des prismes, les coordonnées à la base des pôles, c'est-à-dire à la surface de la glace, furent calculées. Hormis les points situés sur la glace collée au mur du barrage ou sur les berges du réservoir, l'analyse du mouvement vertical démontre que le couvert de glace suit la fluctuation du niveau d'eau (exepté à longterme où le couvert de glace s'abbaisse dû au poids de la neige). L'étude des mouvements horizontaux du couvert de glace a permis de mettre en avant un mouvement global vers le centre du réservoir dû aux fluctuations d'eau et à l'expansion thermique de la glace. Des déplacements maximums perpendiculaires au barrage de 18 cm ont été observés près du barrage ainsi que des mouvements perpendiculaires aux rives d'un maximum de 8 cm près de celles-ci. Les déformations calculées étaient hautement corrélées avec les fluctuations du niveau de l'eau ce qui implique que celui-ci provoque les déformations horizontales du couvert. Les vitesses de déformation (filtrées à l'aide d'une moyenne mobile sur 16 heures pour enlever le bruit) furent converties en contraintes à l'aide de l'équation Glen de fluage dont les constantes de proportionnalité dépendent de la température interne de la glace. Une analyse de l'ensemble des poteaux a permis d'estimer les contraintes perpendiculaires en II fonction de la distance par rapport au barrage. Des contraintes maximales de 470 kPa ont été calculées à 5 m du barrage, 260 kPa à 15 m, 170 kPa à 25 m et de 140 kPa à 100 m, démontrant un phénomène d'atténuation des contraintes avec la distance. Au niveau des contraintes parallèles au barrage, celles-ci étaient trop faibles dans les zones observées pour en arriver à un résultat définitif, mais les valeurs semblaient indiquer que les contraintes ne dépassaient pas 60 kPa. Cette campagne de mesures a été réalisée par l'Université Laval en partenariat avec l'Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ), State University of New York (Cobleskill), le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada et avec la contribution de BMT Fleet Technology. L'étude des déformations spatiales et temporelles a permis d'avoir une vue globale sur le mouvement de la glace de l'ensemble du réservoir ; de mieux comprendre les données ponctuelles relevées par d'autres instruments de mesure de contraintes incorporés dans le couvert et installés sur le barrage ; de fournir de l'information sur les phénomènes d'atténuation et d'aider à la compréhension du phénomène de poussée de glace.

L’apport de chaleur induit par les constructions routières est susceptible d’affecter le régime thermique du pergélisol sous-jacent et de causer des dommages importants. Sur l’Alaska Highway au Yukon (Canada), des problèmes d’instabilités sont fréquemment observés et certains sont localisés aux abords des ponceaux. En autorisant la libre circulation de l’air et de l’eau à travers une conduite, des perturbations thermiques additionnelles sont infligées au sol environnant. De plus, une mauvaise gestion du drainage de l’eau aux abords des ouvrages aggrave la sévérité des instabilités. Afin de documenter ces perturbations, deux ponceaux ont été instrumentés sur l’Alaska Highway au Yukon. Le premier est situé au site expérimental de Beaver Creek; le deuxième est proche de la frontière avec l’Alaska. Les températures du sol autour des ponceaux et la température de l’air dans les ponceaux ont été enregistrées pendant une année; tandis que la température de l’eau et le débit ont été enregistrés pendant deux printemps et étés. La collecte de ces données a permis de concevoir un modèle 2D sur le logiciel TEMP/W représentant le remblai et le ponceau de Beaver Creek. En parallèle, les données ont servi à valider un modèle mathématique établi basé sur des principes physiques. Ce modèle permet de calculer le flux de chaleur transmis au sol en fonction du débit et de la température de l’eau. Par la suite, des simulations de variation de débit et de température de l’eau ont été appliquées dans le modèle mathématique. Les différents flux de chaleur correspondants ont été appliqués sur le modèle thermique 2D afin de déterminer l’influence du débit et de la température de l’eau sur les températures du sol sous le ponceau. Des simulations similaires ont été conduites en faisant varier des paramètres de conception comme la présence ou non de l’isolant. Ce mémoire présente donc trois objectifs principaux; 1) l’amélioration des connaissances relatives à l’effet de la circulation de l’eau à travers un ponceau sur le régime thermique du sol sous-jacent; 2) la documentation sur le régime thermique autour de ponceaux routiers; et 3) l’étude de l’influence du débit et de la température de l’eau sur la stabilité thermique du sol. Finalement, une méthode de conception de système de drainage, permettant de limiter l’impact d’un ponceau sur la profondeur de dégel du sol sous-jacent, est présentée dans le présent mémoire. / Heat sources induced by road construction are likely to affect the thermal regime of underlying permafrost and cause significant damage. On the Alaska Highway in Yukon (Canada), instability problems have been observed and some are located close to culverts. Culverts allow free water and air circulation through the buried pipe. Thus, additional thermal disturbances occur at that location. In addition, poor water management around the embankment exacerbates instabilities. To document these disturbances, two culverts were monitored; one is located at the Beaver Creek test site and the second is close to the U.S Border. Air temperature within and soil temperatures around the culverts were recorded for one year, while water temperature and flow rate were recorded during two thawing seasons. The data collection allowed the design of a 2D model in TEMP/W representing thermal conditions around the Beaver Creek culvert. Then, these data were used to validate an established mathematical model based on the physical principles of heat transfer. The mathematical model calculates the heat flux transmitted to the ground as a function of water temperature and flow rate. Subsequently, variations of flow rate and water temperature were applied to the mathematical model. The corresponding heat fluxes were applied to the 2D thermal model in TEMP/W to determine the influence of flow rate and water temperature on soil temperatures below the culvert. Similar simulations were conducted with design parameters, such as the presence or absence of the insulation. This thesis 1) enhanced knowledge of the effects of flow rate and water temperature through a culvert on the soil thermal regime; 2) documented the thermal regime around culverts; and 3) studied the influence of flow rate and water temperature on the thermal regime. Finally, a drainage system design method is presented which aims to minimize the impact of a culvert on the thaw depth.

Le bris d'un barrage est un événement exceptionnel et rare. Toutefois, lorsqu'il se produit, il peut engendrer de nombreuses pertes aussi bien matérielles qu'humaines. La modélisation de la propagation d'ondes de crue intumescentes issues d'un bris de barrage a fait l'objet d'inombrables études durant les quarante dernières années. À ce jour, il existe de nombreux modèles commerciaux capables de prédire avec satisfaction la propagation d'une onde de crue dans un canal à surface libre. Cependant, ces modèles ne sont pas conçus pour décrire la propagation dynamique des ondes de crue dans le cas des conditions hivernales caractérisées par la présence d'un couvert de glace à la surface des rivières. Pour les analyses de sécurité ou les études d'impact, les gestionnaires d'ouvrages de retenues et d'autres aussi qui s'intéressent aux écoulements fluviaux ont donc besoin de nouveaux outils de prédiction mieux adaptés à ces conditions particulières. Cette thèse se situe dans le cadre des efforts menés actuellement pour palier ce manque. L'objectif spécifique de la présente recherche est d'étudier la propagation des ondes hydrodynamiques dans un canal recouvert d'un couvert de glace. Pour y arriver, l'analyse s'est faite en deux parties. Premièrement, une analyse statique de la réponse du couvert de glace aux vagues de différentes formes est présentée. Cette dernière, faite à l'aide de modèles numériques uni- et bi-dimendionnels, a pour but de formuler des critères simples de bris du couvert de glace en rivière. Dans la seconde partie, un nouveau modèle numérique couplé eau-glace intitulé HYDROBEAM est bâti pour simuler la propagation dynamique des ondes dans un canal recouvert de glace. Pour ce nouveau modèle couplé, les équations de Saint-Venant, sous leurs formes conservatives et en présence d'un couvert flottant, sont reformulées. Les équations de Saint-Venant sont ensuite couplées aux équations décrivant le mouvement d'un couvert de glace semi-rigide. Les résultats du modèle couplé démontrent que la présence du couvert a pour effet d'atténuer et de ralentir les ondes et que l'effet se fait ressentir surtout sur des ondes très courtes (typiquement inférieures à 100 m).