Contrairement à la croyance populaire, la canneberge ne pousse pas dans l’eau et la gamme de potentiel matriciel de l’eau dans le sol optimale pour la croissance des plants se situe entre −3.0 et −7.5 kPa. Un sol gorgé d’eau et mal aéré diminue la capacité des plants à prélever les nutriments dans le sol et peut augmenter les maladies racinaires. Il est donc primordial d’entretenir un système de drainage efficace afin de maintenir les plants dans un environnement optimal. L’objectif de ce projet était le développement d’une méthode de diagnostic des systèmes de drainage souterrain dans la production de canneberges. Les hypothèses étaient : (a) les variabilités spatiales verticale et horizontale des propriétés hydrodynamiques du sol influence l’efficacité d’un système de drainage et (b) l’étude de données tensiométriques et de l’évolution de la hauteur de la nappe en fonction du temps permet de déterminer l’efficacité d’un système de drainage. Aux étés 2013 et 2014, un dispositif expérimental de suivi de la nappe (puits d’observation, tensiomètres, sondes de pression) a été mis en place sur 21 champs. En parallèle, 960 échantillons de sol ont été prélevés sur huit champs et rapportés en laboratoire afin d’estimer la variabilité spatiale des propriétés hydrodynamiques du sol. Les analyses des données obtenues de vitesse de rabattement de la nappe, conductivité hydraulique à saturation, masse volumique, porosité, rendement, granulométrie, paramètres de rétention en eau et teneurs en eau du sol ont permis de mettre en évidence leur influence sur le rendement et l’efficacité de drainage. En se basant sur des courbes de rabattement de la nappe, la vitesse de rabattement de la nappe et le profil de charge, une charte de diagnostic a pu être développée. Cette charte de diagnostic, à l’issue de quatre grandes questions directrices, permet l’identification d’un possible problème de drainage. / Efficient drainage systems are essential in the development of more intelligent precision irrigation methods in cranberry production. Most cranberry fields are equipped with subsurface drainage systems used for excess water removal and water table control. In fact, cranberry reveals high sensitivity to wet conditions with an important decrease in crop yields caused almost exclusively by dysfunctional drainage systems. Previous works have highlighted the need to improve existing drainage systems. The main objective of this study was to develop a real-time method for assessment of subsurface drainage system performance. The hypotheses were : (a) the vertical and horizontal spatial variability of the hydrodynamic soil properties influence underground drainage system efficiency and (b) the study of tensiometric data and changes in the water table height versus time, allows us to assess drainage system efficiency. During the 2013 and 2014 crop seasons, real-time experimental devices (observation wells, tensiometers, and pressure sensors) were installed in 21 fields (13 in Manseau and eight in the Lac-St-Jean region, Québec, Canada) in order to monitor the water table and soil matric potential. In order to assess the relationship between drainage efficiency and soil properties, 960 undisturbed soil cores were collected over eight fields and brought back to the laboratory for hydrodynamic soil properties characterization. Data obtained from water table drawdown speed, saturated hydraulic conductivity, bulk density, porosity, granulometry, water retention parameters and water contents allowed to highlight their influence on crop yields and drainage efficiency. Based on water table drawdown curve, water table drawdown speed and water height profile, a diagnostic diagram was developed. This diagnostic charter, based on four guiding questions, allows for the identification of drainage problems.

La culture de canneberges, étant intensément drainée souterrainement, peut accélérer le transport des particules fines dans le sol. Ce projet vise à évaluer la migration des particules fines dans les sols de canneberges. Cette expérience a été mise en place sur 3 sites (A, B, C) de production au Québec. Un traceur physique inerte, l'oxyde de zirconium (ZrO2), a été appliqué sur des parcelles de 25 x 25 cm au début de l'été 2014. Les parcelles étaient munies de puits d'observation de la nappe et de tensiomètres (TX3) positionnés sur le drain, au quart de l'écartement et à demi-écartement, à 10 et à 20 cm de profondeur. De plus, deux puits d'observation de la nappe supplémentaires par site ont été installés dans le milieu naturel à côté du champ. Des colonnes de sol de 60 cm de long et de 6 cm de diamètre ont été échantillonnées sur chacun des sites en août 2014 (T1) et juillet 2015 (T2), pour un total de 18 colonnes. Celles-ci ont été coupées et séchées en segments de 2 cm d'épaisseur, donnant ainsi 30 échantillons de sol par colonne. La concentration de ZrO2 a été mesurée par spectromètre de fluorescence rayon-X (EDXRF). La granulométrie a aussi été mesurée sur les mêmes segments afin d'identifier des zones d'accumulation de particules fines. Les résultats obtenus par EDXRF ont montré une migration de ZrO2 sur toutes les colonnes à 10 cm de profondeur au T1, soit la profondeur racinaire de la canneberge. Cependant au T2, les colonnes du site C ont montré une migration entre 15 à 30 cm de profondeur. Le site A et B sont plus susceptibles au problème de colmatage que le site C.

La culture de sphaigne est la production durable de biomasse de sphaigne sur une base renouvelable et cyclique. Un système de contrôle de l’eau est nécessaire pour maintenir le niveau de la nappe phréatique à une valeur définie au cours de la saison de croissance dans un contexte de conditions climatiques variables. Peu d’information et de documentation sont disponibles concernant la conception et l’opération de systèmes de contrôle de l’eau dans les bassins de culture de sphaigne. Les objectifs de ce projet sont de définir, concevoir et réaliser le système de drainage et d’irrigation souterraine pour la culture de sphaigne et de développer un système de contrôle correspondant aux contraintes du site de Shippagan au Nouveau-Brunswick installé en 2014. La définition d’un système d’irrigation et de drainage adapté est basée sur les connaissances du drainage et de l’irrigation en agriculture et des besoins physiologiques de la sphaigne. Le développement des équipements a été réalisé en adaptant les concepts du système aux contraintes du site. L’analyse du système comprend les mesures à effectuer, les éléments à contrôler et les consignes d’opération. Les appareils de mesure du niveau de l’eau permettent d’évaluer et de transmettre au contrôle central les niveaux d’eau des fossés et de la nappe phréatique. Le contrôle central analyse les conditions et contrôle les pompes et les barrages à hauteur variable. L’énergie est fournie par un système de panneaux solaires et de batteries. Les barrages à hauteur variable permettent d’ajuster le niveau d’eau dans les fossés. Le système et les équipements développés répondent aux objectifs de conception. Des améliorations et une optimisation sont à faire. Le système permettra de continuer les travaux notamment au niveau de la modélisation de l’écoulement de l’eau et du contrôle prédictif. / Sphagnum farming is the cultivation of Sphagnum mosses to produce biomass of non-decomposed Sphagnum fibers on a cyclic and renewable basis. A water control system is required to maintain the water table level through the season, in the context of variable weather conditions. A drainage and sub-irrigation system has been designed and installed in 2014 on the Sphagnum farming site near Shippagan (N.B). The objectives of this project are to define the drainage and irrigation system for Sphagnum farming and develop an adapted system for the site. The design of the system is based on the Sphagnum requirements, agricultural knowledge of drainage and irrigation and respect of site constrains. Water level measurement equipment allows evaluation and transmission of the water table level and the water level in ditches to the central control. The central control analyzes the conditions and control the pumps and the variable level dams. The energy is supplied by a system of solar panels and batteries. The variable level dam adapts the water output level in the control structure. The developed system achieves the design objectives. Improvement and optimization are planned. The system will be the basis of future research, in particular about flow modeling and predictive control.

Dans des conditions de climat humide et lorsque les sols sont peu perméables, les systèmes de drainage souterrains sont généralement utilisés pour contrôler le niveau de la nappe phréatique et améliorer la production agricole. Cependant, les drains souterrains modifient à la fois les voies d'écoulement hydrologique et les taux de transport des nutriments des terres cultivées vers les eaux de surface, pouvant détériorer la qualité des eaux souterraines et de surface. De plus, des macropores sont souvent présents dans les sols composés de till argileux, ce qui génère un flux d'eau rapide et riche en nutriments de la surface du sol vers les drains souterrains. Une approche rentable pour réduire le lessivage des nutriments provenant de l'agriculture consiste à imposer des restrictions uniquement dans les zones vulnérables à la contamination de l'eau. Ces zones peuvent être identifiées à l'aide de modèles hydrologiques distribués. Les résultats obtenus sur de petits bassins versants expérimentaux doivent être simplifiés pour être appliqués à des échelles plus grandes, généralement requises pour l'élaboration de politiques. L'objectif de cette étude était d'examiner les avancées et les limitations de l'inclusion des drains souterrains dans les modèles d'écoulement de surface et souterrain. Les objectifs spécifiques étaient de i) démontrer l'utilisation des estimations de conductivité électrique spécifique (CE), pour améliorer les simulations hydrologiques dans un champ drainé, ii) étudier l'efficacité d'un modèle hydrologique et de transport de soluté tridimensionnel pour simuler un test de traçage de bromure (Br) dans un champ drainé et iii) évaluer différents modèles conceptuels de drains souterrains et d'hétérogénéité du sol pour la simulation numérique du drainage dans un bassin versant agricole au Danemark. Les résultats suggèrent que la simulation de la profondeur de la nappe phréatique peut être améliorée par l'inclusion d'hétérogénéités basées sur des estimations de la CE. L'approche des seepage nodes était appropriée pour simuler les débits de drainage, cependant la précision des simulations était meilleure pour les modèles à l'échelle du terrain. À l'échelle du bassin versant, le fait de ne représenter que les drains principaux est approprié pour pouvoir utiliser des maillages plus grossiers et pour simuler le débit des cours d'eau et les faibles profondeurs des eaux de surface dans les zones drainées. Des résultats similaires ont été obtenus lorsque les seepage nodes ont été appliqués sur l'ensemble des zones agricoles, sans tenir compte de l'emplacement spécifique des drains souterrains. Cette dernière approche peut être appliquée lorsque les drains souterrains ne sont pas cartographiés, ce qui est généralement le cas. Une représentation simplifiée de l'hétérogénéité et de la macroporosité peut expliquer les différences entre ls valeurs observées et simulées des charges hydrauliques, débits de drainage et processus de transport de solutés. Les approches de modélisation étudiées dans cette thèse peuvent améliorer la représentation de la dynamique de l'écoulement souterrain et les simulations du transport de substances agrochimiques lessivées des champs cultivés, telles que le nitrate et phosphate. / Under humid climate conditions and for low-permeability soils, subsurface tile drains are usually employed to lower the water table and enhance agricultural production. However, tile drains alter both the hydrologic flow pathways in agricultural catchments and the rates of nutrient transport from cropland to surface water bodies, potentially impairing the groundwater and surface water quality. Furthermore, macropores are often present in clayey till soils, generating rapid and nutrient-rich water flow from the ground surface to the tile drains. A cost-effective approach to reduce nutrient leaching from agriculture is to impose restrictions only in vulnerable areas to water contamination, which can be identified using distributed hydrological models. Results on small experimental catchments need to be simplified for application on larger scales, usually required for policy-making purposes. The objective of this study was to investigate the outcomes and limitations of including tile drains in surface and subsurface flow models. Specific objectives were to i) demonstrate the use of electrical conductivity (EC) estimates to improve hydrological simulations in a tile-drained field, ii) investigate the efficiency of a three-dimensional hydrological and solute transport model to simulate a bromide (Br) tracer test in a tile-drained field and iii) assess different conceptual models for tile drains and soil heterogeneity for the numerical simulation of tile drainage in an agricultural catchment in Denmark. The results suggest that the simulation of the water table depth can be improved by the inclusion of heterogeneities based on EC estimates. The seepage nodes approach was suitable to simulate drain discharge, however the accuracy of the simulations was better for the field-scale models. At the catchment scale, representing only the main drains was suitable to reduce the mesh refinement and simulate stream flow and low surface water depths in drained areas. Similar results were obtained when seepage nodes were applied all over the agricultural areas, without considering the specific location of tile drains. The later approach can be applied when tile drains are not mapped, which is usually the case. The misrepresentation of heterogeneity and macroporosity may explain the differences between observed and simulated hydraulic heads, drain discharge and solute transport processes. The modeling approaches investigated in this dissertation can improve subsequent simulations of tile drainage and the transport and fate of leached agrochemicals such as nitrate or phosphate.

Dans des conditions de climat humide et lorsque les sols sont peu perméables, les systèmes de drainage souterrains sont généralement utilisés pour contrôler le niveau de la nappe phréatique et améliorer la production agricole. Cependant, les drains souterrains modifient à la fois les voies d'écoulement hydrologique et les taux de transport des nutriments des terres cultivées vers les eaux de surface, pouvant détériorer la qualité des eaux souterraines et de surface. De plus, des macropores sont souvent présents dans les sols composés de till argileux, ce qui génère un flux d'eau rapide et riche en nutriments de la surface du sol vers les drains souterrains. Une approche rentable pour réduire le lessivage des nutriments provenant de l'agriculture consiste à imposer des restrictions uniquement dans les zones vulnérables à la contamination de l'eau. Ces zones peuvent être identifiées à l'aide de modèles hydrologiques distribués. Les résultats obtenus sur de petits bassins versants expérimentaux doivent être simplifiés pour être appliqués à des échelles plus grandes, généralement requises pour l'élaboration de politiques. L'objectif de cette étude était d'examiner les avancées et les limitations de l'inclusion des drains souterrains dans les modèles d'écoulement de surface et souterrain. Les objectifs spécifiques étaient de i) démontrer l'utilisation des estimations de conductivité électrique spécifique (CE), pour améliorer les simulations hydrologiques dans un champ drainé, ii) étudier l'efficacité d'un modèle hydrologique et de transport de soluté tridimensionnel pour simuler un test de traçage de bromure (Br) dans un champ drainé et iii) évaluer différents modèles conceptuels de drains souterrains et d'hétérogénéité du sol pour la simulation numérique du drainage dans un bassin versant agricole au Danemark. Les résultats suggèrent que la simulation de la profondeur de la nappe phréatique peut être améliorée par l'inclusion d'hétérogénéités basées sur des estimations de la CE. L'approche des seepage nodes était appropriée pour simuler les débits de drainage, cependant la précision des simulations était meilleure pour les modèles à l'échelle du terrain. À l'échelle du bassin versant, le fait de ne représenter que les drains principaux est approprié pour pouvoir utiliser des maillages plus grossiers et pour simuler le débit des cours d'eau et les faibles profondeurs des eaux de surface dans les zones drainées. Des résultats similaires ont été obtenus lorsque les seepage nodes ont été appliqués sur l'ensemble des zones agricoles, sans tenir compte de l'emplacement spécifique des drains souterrains. Cette dernière approche peut être appliquée lorsque les drains souterrains ne sont pas cartographiés, ce qui est généralement le cas. Une représentation simplifiée de l'hétérogénéité et de la macroporosité peut expliquer les différences entre ls valeurs observées et simulées des charges hydrauliques, débits de drainage et processus de transport de solutés. Les approches de modélisation étudiées dans cette thèse peuvent améliorer la représentation de la dynamique de l'écoulement souterrain et les simulations du transport de substances agrochimiques lessivées des champs cultivés, telles que le nitrate et phosphate. / Under humid climate conditions and for low-permeability soils, subsurface tile drains are usually employed to lower the water table and enhance agricultural production. However, tile drains alter both the hydrologic flow pathways in agricultural catchments and the rates of nutrient transport from cropland to surface water bodies, potentially impairing the groundwater and surface water quality. Furthermore, macropores are often present in clayey till soils, generating rapid and nutrient-rich water flow from the ground surface to the tile drains. A cost-effective approach to reduce nutrient leaching from agriculture is to impose restrictions only in vulnerable areas to water contamination, which can be identified using distributed hydrological models. Results on small experimental catchments need to be simplified for application on larger scales, usually required for policy-making purposes. The objective of this study was to investigate the outcomes and limitations of including tile drains in surface and subsurface flow models. Specific objectives were to i) demonstrate the use of electrical conductivity (EC) estimates to improve hydrological simulations in a tile-drained field, ii) investigate the efficiency of a three-dimensional hydrological and solute transport model to simulate a bromide (Br) tracer test in a tile-drained field and iii) assess different conceptual models for tile drains and soil heterogeneity for the numerical simulation of tile drainage in an agricultural catchment in Denmark. The results suggest that the simulation of the water table depth can be improved by the inclusion of heterogeneities based on EC estimates. The seepage nodes approach was suitable to simulate drain discharge, however the accuracy of the simulations was better for the field-scale models. At the catchment scale, representing only the main drains was suitable to reduce the mesh refinement and simulate stream flow and low surface water depths in drained areas. Similar results were obtained when seepage nodes were applied all over the agricultural areas, without considering the specific location of tile drains. The later approach can be applied when tile drains are not mapped, which is usually the case. The misrepresentation of heterogeneity and macroporosity may explain the differences between observed and simulated hydraulic heads, drain discharge and solute transport processes. The modeling approaches investigated in this dissertation can improve subsequent simulations of tile drainage and the transport and fate of leached agrochemicals such as nitrate or phosphate.

L'étude de l'interaction entre le système d'écoulement local d'une tourbière ombrotrophe et le système d'écoulement des eaux souterraines régionales a été menée à Grand-Barachois, dans le sud-est du Nouveau-Brunswick. Le but de l'étude consiste essentiellement à estimer l'impact du drainage des tourbières commerciales sur les ressources en eau souterraine. Ce projet s'intègre dans l'Initiative sur les Eaux Souterraines dans les Maritimes qui est menée par la Commission géologique du Canada et qui vise à réaliser la caractérisation hydrogéologique régionale du bassin carbonifère dans le sud-est du Nouveau-Brunswick. Deux campagnes de terrain réalisées en 2001 et 2002 ont permis de recueillir plusieurs données de terrain pour faire la caractérisation hydrogéologique de la tourbière Beauséjour (46° 11' N, 64°27'W) et de l'aquifère rocheux régional dans la région de Shediac. La tourbière Beauséjour est apparentée à une nappe perchée et représente un système hydrogéologique indépendant du système régional, ce dernier étant caractérisé par une nappe semi-confinée. Plusieurs évidences appuient cette hypothèse: (1) le niveau piézométrique de la tourbière est toujours plus élevé d’au moins 1,5 m que le niveau de l’aquifère régional, (2) la différence de conductivité hydraulique entre la tourbe et le till sous la tourbière (l, 8E-06 m/s vs 4,4E-09 m/s) représente une limite quasi imperméable à l’écoulement vertical entre la tourbière et l’aquifère régional sous-jacent, (3) les fluctuations piézométriques dans l’aquitard, représenté par le till, accusent un décalage d’environ deux mois par rapport aux fluctuations piézométriques dans la tourbe et dans le socle rocheux, (4) l’hydrogéochimie permet de distinguer la présence de deux nappes d’eau souterraine aux propriétés physiques et chimiques différentes et finalement, (5) la recharge potentielle estimée de 1,2 cm/an provenant de la tourbière et pouvant atteindre le sommet du socle rocheux implique des échanges hydrauliques limités et relativement peu importants par rapport à la recharge régionale qui se fait par le till de surface et qui est de 10,1 à 30 cm/an (Boisvert, 2003). La présence de la tourbière Beauséjour est donc attribuée à la présence du till relativement imperméable et à la morphologie du fond de la tourbière et non à la résurgence des eaux souterraines régionales, qui aurait pu expliquer le développement de la tourbière à cet endroit et impliquer la présence d’une unité sous-jacente perméable par laquelle des échanges hydrologiques auraient pu se faire. Les résultats de la modélisation numérique ont montré que l'abaissement provoqué des niveaux d'eau dans la tourbière a très peu d'influence sur les niveaux d'eau dans le socle rocheux à 50, 100 et 1000 m à l'extérieur de la tourbière ainsi que sur l'écoulement vertical entre la base de la tourbière et le sommet de l'aquifère rocheux régional. Les données de terrain ainsi que la modélisation numérique indiquent que, dans la région de Shediac, l'impact du drainage des tourbières commerciales sur les ressources en eau souterraine est très limité, voire négligeable. / Québec Université Laval, Bibliothèque 2018