Cette thèse porte sur l'impact du changement climatique du à des gaz à effet de serre sur l'état et l'évolution du pergélisol dans le nord canadien. Le pergélisol se retrouve sur la moitie du territoire canadien et un changement de son état actuel se répercutera dans toutes les sphères d'activité, sur la biosphère et sur l'environnement en général. Malgré l'importance évidente du sujet, il n'y a pas une idée précise comment le pergélisol réagira au changement climatique et jusqu'où la couche pergélisolée sera perturbée. Cette thèse explore ce sujet en utilisant une approche méthodologique s’inspirant de celui du modèle canadien d'évolution de pergélisol (TTOP) et avec une approche théorique basée sur la théorie des systèmes neuronaux complexes. L’objectif général de cette thèse est d’améliorer le modèle canadien d’évolution du pergélisol (TTOP - Temperature on the Top Of Permafrost) créé par Smith et Riseborough en 1996, tant dans sa structure de calcul, que dans sa résolution spatiale et de déterminer l'évolution du pergélisol dans la zone d'étude pour la période 2010-2100. Cette zone est située dans le Bassin Mackenzie (T.N-O) sur un transect nord-sud de 1440 x 720 km. Le premier objectif de recherche est de produire les cartes des valeurs annuelles de température à la partie supérieure du pergélisol de 2010 à 2100 en utilisant un modèle amélioré d'évolution du pergélisol (TTOP-A). Par la suite, ces valeurs sont comparées à celles obtenues par Smith et Riseborough (1996). Les valeurs de température de l'air pour cette période sont fournies par les scénarios d'évolution climatique MCCG3 SRES A1B, MCCG3 SRES A2 et MCCG3 SRES B1. Dans un deuxième temps, cette thèse a pour objectif la production des cartes d'épaisseur de pergélisol jusqu'en 2100 à une résolution spatiale de 25 km. Plus précisément, on détermine l'évolution des valeurs d'épaisseur de pergélisol pour les trois scénarios climatiques mentionnés antérieurement. De plus, l'étude propose: i) une nouvelle méthode de désagrégation des données climatiques en utilisant un Modèle Stochastique Déterminé, ii) l'intégration de la carte de type de sol, iii) l'intégration des valeurs d'humidité dans le sol, iv) l'intégration des valeurs d'épaisseur de la couche nivale et v) l'intégration des données de télédétection (SSM/I). De façon générale, les résultats obtenus par le modèle TTOP-A révèlent que les valeurs moyennes de température à la surface du pergélisol suivent de près les valeurs de température de l’air et qu'elles sont semblables aux celles trouvées par Smith et Riseborough (1996) et Heginbottom et coll. (1995). De plus, les différences des valeurs de température à la surface de pergélisol entre 2010 et 2100 s'inscrivent dans l'écart des valeurs publié par le Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat (GIEC, 2007). Concernant le deuxième objectif de cette thèse, la dynamique spatiotemporelle du pergélisol jusqu'en 2100 démontre que, dans la zone d'étude, la superficie perturbée par le réchauffement climatique sera de 37 %, 60 % et 29 % selon les scénarios MCCG3 SRES A1B, MCCG3 SRES A2 et MCCG3 SRES B1 respectivement. Selon les scénarios mentionnés antérieurement, la couche pergélisolée à l'intérieur de cette zone disparaîtra dans une proportion de 20 %, 32 % et 18 % respectivement. Ces résultats nous laissent croire que les prévisions faites par Smith et Riseborough ont été surévaluées dans le contexte de deux des trois scénarios climatiques actuels par rapport à celui de 1996. Finalement, cette étude démontre que la méthode de désagrégation des données en utilisant les réseaux neuronaux dans un Modèle Stochastique Déterminé donne de bons résultats et elle représente une option fiable qui se prête à des généralisations à grande échelle. / This thesis explores the potential impacts of a climate change due to the greenhouse gases on the state and the evolution of the permafrost in the Canadian North. The permafrost represents the half of the Canadian national territory and a change of its current state will echo in all spheres of activity, on the biosphere and on the environment generally. In spite of the evident importance of the subject, there is no precise idea as to how the permafrost will react to the climate change and to what extent the frozen layer will be disrupted. This thesis investigates this problem by using a methodological approach inspired by the Canadian model on the evolution of permafrost (TTOP) coupled with a theoretical approach based on the theory of the complex neuronal systems. The general objective of this thesis is to improve the Canadian model of evolution of permafrost (TTOP-Temperature one the Top Of Permafrost) created by Smith and Riseborough in 1996, its structure of computation, spatial resolution and to determine the state of the permafrost in the study area between 2010 and 2100. The study zone is situated in the Mackenzie Basin (N-W.T) on a north-south transect of 1440 by 720 km. The first objective of the research is to derive maps of the annual values of temperature on the top of the permafrost from 2010 to 2100 by using an improved dynamic model of the evolution of permafrost (TTOP-A). Thereafter, these values are compared with those obtained by Smith and Riseborough (1996). The values of the evolution of air temperature for this period are supplied by the climatic scénarios CGCM3 SRES A1B, CGCM3 SRES A2 and CGCM3 SRES B1. Secondly, this thesis has as an objective the production of the maps of the thickness of permafrost for 2100 with a spatial resolution of 25 km. More exactly, we determine the evolution of the values of thickness of permafrost for the three climatic scénarios mentioned above. Furthermore, the study proposes: i) a new method for downscaling of climate data by using a Determined Stochastic Model, ii) the integration of soil type, iii) the integration of the soil humidity, iv) the integration of the values of thickness of the snow layer and v) the integration of remote sensing data (SSM/I). As a rule, the results obtained by the TTOP-A model reveal that the mean values of temperature at the surface of the permafrost follow closely the values of air temperature and that they are similar to those found by Smith and Riseborough (1996) and Heginbottom and coll. (1995). Also, the differences of the values of temperature on the surface of permafrost between 2010 and 2100 are similar to the values published by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Concerning the second objective of this thesis, the spatio-temporal dynamics of the permafrost until 2100 demonstrates that, in the study zone, the surface perturbed by global warming will be 37 %, 60 % and 29 % according to the scénarios CGCM3 SRES A1B, CGCM3 SRES A2 and CGCM3 SRES B1 respectively. The permafrost layer inside this zone will disappear by 20 %, 32 % and 18 % according to the scénarios mentioned before. These results lead us to believe that the estimations made by Smith and Riseborough were overvalued in the context of two of three current climates scénarios compared to that of the 1996. Finally, this study demonstrates that the method of downscaling of climate data using the neuronal network within a Determined Stochastic Model gives good results and it represents a reliable option which lends itself to large-scale generalizations. / Les fichiers video (d'animation) sont dans un format Windows Media (.wmv)

Les sols forestiers constituent un réservoir considérable d’éléments nutritifs disponibles pour soutenir la productivité forestière. Ces sols contiennent aussi une quantité, encore inconnue à ce jour, d’éléments traces biodisponibles provenant de sources anthropiques ou naturelles. Or, plusieurs de ces éléments recèlent un potentiel toxique pour les organismes vivants. Ainsi, la quantification de la concentration et du contenu total en éléments traces des sols forestiers s’avère nécessaire afin d’évaluer les impacts des perturbations sur la qualité des sols. Les objectifs de ce projet de recherche sont: 1) de mesurer le contenu total en éléments traces en phase solide (Ag, As, Ba, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Rb, Se, Sr, Tl, V, Y, Zn) des divers horizons de sols d’écosystèmes forestiers du Québec méridional; 2) d’établir des liens significatifs entre la fraction soluble dans l’eau des éléments traces et les propriétés des horizons de sols et; 3) d’évaluer le rôle de la proximité d’un centre urbain sur les contenus en éléments traces. Pour répondre à ces objectifs, quatre profils de sols situés dans la région de St-Hippolyte et deux situés dans la région de Montréal furent échantillonnés jusqu'à l'atteinte du matériel parental. Les résultats de ce projet de recherche ont révélé que le contenu total en éléments traces présents dans les profils de sols se retrouve en grande partie dans les fragments grossiers du sol. Il a été démontré que la teneur en carbone organique, les complexes organométalliques et les oxydes de fer et d’aluminium dictent la distribution en profil de la majorité des éléments traces étudiés. Finalement, il fut prouvé que la région de Montréal présente des niveaux de contamination en éléments traces (Ag, As, Ba, Cu, Mn, Pb, Rb, Se, Sr, Tl et Zn) supérieurs à ceux rencontrés dans les Laurentides. / Forest soils represent an important stock of nutrients available to sustain forest productivity. They also contain an amount, still unknown, of trace elements inherited from natural or anthropogical sources. Many of these trace elements can be toxic to living organisms. Thereby, quantification of the concentration and the total content of trace elements in forest soils is necessary to asses the impact of these elements on soil quality. The specific objectives of this research project are: 1) to measure the total content of trace elements in solid phase (Ag, As, Ba, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Rb, Se, Sr, Tl, V, Y, Zn) of various soil horizons in two forest ecosystems of southern Quebec, 2) to establish significant correlations between the bioavailable fraction (water-soluble) of trace elements and soil horizons properties and 3) to compare the trace element stock of two Canadian Shield’s forest soil with those of similar soils situated in the Montreal area. To achieve these goals four soil profiles situated in the pristine region of St-Hippolyte and two in the urban area of Montréal, were excavated down to the parent material. The results of this research have established that the trace element’s total stock is mainly concentrated in coarse fragments of the soil. Multivariate statistical analyses revealed significant links between organic carbon, organometallic complexes as well as Fe-Al oxides and the distribution of trace element in soil profiles. Finally, it was proved that Montreal’s soil contained more trace element (Ag, As, Ba, Cu, Mn, Pb, Rb, Se, Sr, Tl et Zn) than Canadian Shield’s soils.

Dans un bassin versant, la connectivité hydrologique constitue un état hydrologique qui lie le versant à la zone riveraine. Ses impacts sur la production du débit et le transfert des éléments dissous vers le cours d’eau sont présumés substantiels. L’étude vise à 1) détecter les hydrotopes et les connexions hydrologiques à l’aide d’un réseau de puits qui permet la mesure des fluctuations de la nappe phréatique (NP); 2) identifier la variabilité spatio-temporelle et la signature géochimique des sources potentielles en eau à l’aide des éléments majeurs et traces et 3) examiner la contribution spatio-temporelle respective des sources en eau du bassin lors d’un événement de précipitation. L’étude s’effectue dans un bassin versant forestier du Bouclier canadien (l’Hermine). Nous démontrons l’existence de quatre hydrotopes représentant un gradient de convergence de l’eau, soulignant la diversité de comportement de NP. Les connexions hydrologiques se caractérisent par des coefficients de Spearman élevés des relations entre la profondeur de la NP et le débit, dans leur partie en aval, et s’enclenchent par le fill and spill. Le comportement de NP est influencé par la distance aux limites du bassin, l’horizonation du sol et la topographie souterraine. En somme, trois sources en eau se connectent à partir du versant vers la zone riveraine durant l’événement pluvial de manière chronologique: 1) les horizons B et la NP de l’ensemble du bassin (Sr); 2) les horizons LFH des zones de convergence (Ba et Zn) et 3) une dépression de sol humide sur le versant nord (Co et Mn). / In watersheds, hydrologic connectivity consists of a hydrologic state that links the upper part of a hillslope to the riparian zone. Its impacts on streamflow generation and transfer of dissolved elements towards the stream are considered substantial. This study aims to 1) detect hydrotops and hydrologic connections with a network of wells that allow measurements of water table (WT) fluctuations; 2) identify spatial and temporal variability and the geochemical signature of potential sources of water with major and trace elements and 3) examine the spatial and temporal contribution of sources of water within the watershed during a storm event. The study takes place in a small forested watershed of the Canadian Shield (the Hermine). We demonstrate the existence of four hydrotops representing a water convergence gradient, highlighting diversity of behavior of the WT. Hydrological connections are characterized by high Spearman coefficients of the relationship between WT depth and streamflow in their downstream portion. Some hydrological connections are engaged by the fill and spill mechanism. WT behavior is influenced by the distance limits of the basin, soil horizonation and subsurface topography. In sum, three water sources connect the hillslope to the riparian zone during the storm event in chronological order: 1) WT and B horizons of the entire basin (Sr), 2) LFH horizons of convergence zones (Ba and Zn) and 3) a depression of wet soil on north hillslope (Co and Mn).

Les changements climatiques mesurés dans le Nord-ouest canadien au cours du XXIe siècle entraînent une dégradation du pergélisol. Certaines des principales conséquences physiques sont la fonte de la glace interstitielle lors du dégel du pergélisol, l’affaissement du sol et la réorganisation des réseaux de drainage. L’effet est particulièrement marqué pour les routes bâties sur le pergélisol, où des dépressions et des fentes se créent de façon récurrente, rendant la conduite dangereuse. Des observations et mesures de terrain effectuées à Beaver Creek (Yukon) entre 2008 et 2011 ont démontré qu’un autre processus très peu étudié et quantifié dégradait le pergélisol de façon rapide, soit la chaleur transmise au pergélisol par l’écoulement souterrain. Suite aux mesures de terrain effectuées (relevé topographique, étude géotechnique du sol, détermination de la hauteur de la nappe phréatique et des chenaux d’écoulement préférentiels, température de l’eau et du sol, profondeur du pergélisol et de la couche active), des modèles de transfert de chaleur par conduction et par advection ont été produits. Les résultats démontrent que l’écoulement souterrain dans la couche active et les zones de talik contribue à la détérioration du pergélisol via différents processus de transfert de chaleur conducto-convectifs. L’écoulement souterrain devrait être pris en considération dans tous les modèles et scénarios de dégradation du pergélisol. Avec une bonne caractérisation de l’environnement, le modèle de transfert de chaleur élaboré au cours de la présente recherche est applicable dans d’autres zones de pergélisol discontinu. / Climate changes affecting the North West portion of Canada alter the thermal state of the permafrost and promote permafrost degradation. The results are permafrost thawing, ground ice melting, surface drainage changes and soil subsidence. Road infrastructures built on permafrost are particularly sensitive to permafrost stability and integrity. Depressions in the road pavement and development of cracks and potholes are recurrent problems for northern infrastructure. Field measurements done along a road transect in the discontinuous permafrost zone near Beaver Creek (Yukon) between 2008 and 2010 demonstrated that another process, advective heat transfer induced by groundwater flow, is promoting permafrost degradation. This process remains poorly known and has not been quantified sufficiently in permafrost environments. Field data on topography, soil geotechnical properties, water table and preferential flowpath characterization, ground and water temperature and active layer and permafrost depth were collected to build coupled models of seepage (mass transfer) and heat transfers. Results indicate that convective heat transfer processes associated with groundwater flow can have a substantial impact on permafrost degradation. Groundwater flow processes should therefore be taken into account in permafrost evolution models and climate warming scenarios. With a good characterization of the environment, the model that has been developed in this present research is relevant in other discontinuous permafrost environments.

La pollution atmosphérique constitue un risque environnemental majeur dont les effets néfastes sur la santé et sur l’environnement sont déjà clairement démontrés. Toutefois, la mesure d’exposition des populations aux polluants tels que les particules fines et l’ozone troposphérique demeure approximative en raison de la faible densité des stations d’échantillonnage de ces polluants. Peu d’études ont considéré la variation spatiale intra-urbaine dans la modélisation spatiale des concentrations de polluants. Certaines études ont cependant combiné interpolation spatiale et corrélation avec des facteurs locaux. De plus, l’effet du régime météorologique (par exemple l’occurrence d’une inversion de température) sur l’amplitude de ces corrélations n’est pas pris en compte. Cette thèse a donc pour objectif d’évaluer de nouvelles manières de caractériser la distribution spatiale et temporelle des particules fines (PM2.5) et de l’ozone troposphérique (O3) à l’échelle intra-urbaine. Plus particulièrement, nous avons développé un modèle de géostatistique multivariable appelée krigeage avec dérive externe (KED, kriging with external drift) basé sur l’intégration de variables auxiliaires dans le processus d’estimation journalière des PM2.5 et de l’O3. Le krigeage constitue une forme d’interpolation spatiale des données de stations de mesures éparses, alors que la dérive externe mise sur des corrélations entre des conditions locales (axes de transport routier, espaces verts, etc.) et la concentration des polluants atmosphériques. Afin de prendre en compte les variations temporelles, notamment celles reliées aux conditions météorologiques, ces modèles ont été développés par groupes basés sur des conditions synoptiques et six classes d’états établies selon la température, le vent, l’humidité relative et les précipitations, d’après des données météorologiques journalières. Les résultats montrent que l’intégration des variables auxiliaires telles que la densité de la végétation et les zones des activités industrielles locales dans le KED expliquent en partie les variations intra-urbaines des PM2.5 de l’île de Montréal, mais que cet apport est variable selon la classe météorologique. Ainsi, lorsque les corrélations sont très faibles, une interpolation spatiale simple, comme la méthode IDW (inverse distance weighting) est plus exacte que l’interpolation multivariable, alors que pour d’autres conditions synoptiques le KED produit les prédictions les plus certaines. Nous avons pour cette raison proposé un modèle d’interpolation hybride (KED-IDW) s’adaptant aux conditions météorologiques. Nous avons également montré, particulièrement dans le cas de l’O3, que le krigeage avec dérive externe améliore les résultats obtenus par krigeage ordinaire (sans variables auxiliaires). Cette thèse a aussi permis d’évaluer l’apport d’un modèle spatio-temporel (BME, bayesian maximum entropy) dans l’estimation de l’effet à court terme de l’exposition à l’O3 sur les décès à Montréal. Les résultats suggèrent que ce modèle spatio-temporel dans les conditions développées (par ex. basé sur les données de 12 stations de mesures, pour un territoire de 1 310 km2) n’apporte pas de gains significatifs dans l’estimation de l’effet de l’exposition. Dans l’ensemble, cette thèse contribue au progrès de modélisation spatiale empirique des polluants atmosphériques en se fondant notamment sur l’adaptation aux conditions météorologiques et par l’ajout de certains facteurs météorologiques comme prédicteurs. Dans ce contexte, cette thèse ouvre une voie prometteuse pour l’amélioration des estimations de polluants atmosphériques à l’échelle intra-urbaine et de la capacité à évaluer les risques à la santé de la population par une meilleure caractérisation de l’exposition. Mots-clés : pollution de l’air, particules fines, ozone troposphérique, santé, géostatistique, krigeage avec dérive externe, environnement urbain. / Air pollution is a major environmental hazard with clearly demonstrable adverse effects on health and the environment. However, the measurement of populations’ exposure to pollutants such as particulate matter and ground-level ozone remains approximate due to the low density of sampling stations for these pollutants. Moreover, intra-urban spatial variation in the spatial modeling of pollutant concentrations has received little research attention. If anything, some studies have combined spatial interpolation and correlation with local factors; however, they do so without examining the effect of the weather regime (e.g., a temperature inversion) on the magnitude of these correlations. In order to overcome these shortcomings, this dissertation aims to evaluate new ways of characterizing the spatial and temporal distribution of fine particles (PM2.5) and ground-level ozone (O3) at the intra-urban scale. In particular, we developed a multivariable geostatistical model called “kriging with external drift” (KED) based on the integration of auxiliary variables into the process of estimating daily PM2.5 and O3 concentrations. Kriging is a form of spatial interpolation of data from measurement stations that are dispersed, while external drift is based on correlations between local conditions (road transport arteries, green spaces, etc.) and the concentration of atmospheric pollutants. In order to take account of temporal variations, especially those related to weather conditions, we designed these models around six synoptic weather classes based on daily meteorological data (such as temperature, wind, relative humidity and precipitation). v The results show that the integration of auxiliary variables (such as vegetation density and local industrial activity areas) in KED partly explains the intra-urban variations of PM2.5 on the island of Montreal, but that this contribution is variable depending on the weather conditions. Thus, when the correlations are very low, a simple spatial interpolation (such as the inverse distance weighting (IDW) method) is more accurate than multivariable interpolation, whereas for other synoptic conditions KED produces the most certain predictions. For this reason, we proposed a hybrid interpolation model (KED-IDW) that can adapt to different weather conditions. We have also shown, particularly in the case of O3, that KED improves the results obtained from ordinary kriging (without auxiliary variables). This dissertation also allowed to evaluate the contribution of a spatial-temporal model—BME (bayesian maximum entropy)—in the estimation of the short-term effect of exposure to O3 on deaths in Montreal. The results suggest that this spatio-temporal model under the determined conditions (e.g., based on data from 12 measurement stations, for a territory of 1 310 km2) does not offer significant improvements to the estimation of the effect of exposure. Overall, this dissertation contributes to the advancement of the empirical spatial modeling of air pollutants, namely by taking into account the adaptation to weather conditions as well as certain predictive meteorological factors. In this context, the dissertation opens up a promising path for improving the estimation of air pollution at the intra-urban scale and the capacity to assess population health risks through better characterization of exposure.

Le rôle des particules de poussières comporte une grande incertitude des modèles climatiques, alors qu’ils constituent une grande influence sur le bilan radiatif global et l’apport en nutriments pour divers écosystèmes. Ce projet de recherche permet d’évaluer la composition de particules de poussières en Namibie, en fonction de trois vallées constituées de rivières éphémères en région côtière. La sélection des vallées s’est basée sur leur fréquence importante d’émissivité, observée par image satellitaire. En 2017, des mesures en temps réel ont été prises ainsi que des échantillons de surface, dont l’analyse des sols et filtres s’est effectuée en laboratoire. Les propriétés des sols, c’est-à-dire la distribution de la taille, de la minéralogie et composition élémentaire, seront traitées dans ce mémoire. Le but étant d’évaluer les sources d’émission et le potentiel de transport des poussières, par une meilleure connaissance de l’interaction des sols en relation avec les particules transportées par le vent. Il a été observé que le transect de la vallée du Huab possède une taille de particule plus fine en raison de divers facteurs, dont une rivière éphémère plus active. Le transect de la vallée de Omaruru quant à lui possède une composition en minéraux plus variée, dont une petite concentration en éléments lourds. Pour le transect de la vallée du Kuiseb, en raison du site d’échantillonnage et une forte influence de la mer de sable, des particules plus près de la fraction du sable ont été identifiés en plus grande quantité par rapport aux autres sites. Il est donc suggéré que, malgré une grande concentration de particules fines pour le Huab, son processus d’émission demande une fréquence de vent et un environnement propice à l’émission des particules par suspension. Contrairement à certaines vallées telles que le Hoanib ou le Hunkab, le Kuiseb et le Omaruru semblent influencés par la désintégration des argiles lors de la saltation et le bombardement de particules plus grossières. / Dust particles are primarily known to modify radiative forcing as well as nutrient contribution of coastal regions, but account for an important part of climatic model uncertainties. This project evaluates the characteristics of dust particles in river valleys of Namibia within three valleys of the coastal region. The selection of sites was determined by their frequency of emissions observed by satellite imagery. In 2017, fieldwork measures were taken as well as surfaces samples, which were analysed for their particle size distribution, their mineralogy as well as their elemental composition. The results presented in this thesis look at potential transport emission, to better understand interactions between soil and airborne particles. It was observed that the transect of the Huab valley presents the finest distribution of particles, primarily because of its active river providing finer particles to dust sources. The transect of the Omaruru has a more varied particle size distribution relative to the Huab valley and the Kuiseb, but has some coarser particles present in small quantities. Because of its location, the transect of the Kuiseb is strongly influenced by the Namib sand sea, which is reflected in its particle size distribution. Because of existing literature about dust particles, it is possible to suggest that the Huab valley needs stronger winds to be able to be emissive as it erodes predominantly through a modified direct suspension mechanism. Saltation and bombardment seem to play a more important role in the Kuiseb valley than the other valleys along the coast, such as the Hoanib or the Hunkab, because of its important composition of sand and geomorphology proprieties.

Les environnements arides végétalisés seront parmi les environnements les plus impactés par la désertification dans le cadre du changement climatique. Ces environnements légèrement végétalisés sont caractérisés par une balance précaire entre un état de résilience et de vulnérabilité qui est intrinsèquement menacé par la désertification pouvant potentiellement mener à une augmentation du transport des sédiments éolien et une dégradation des environnements. Le nombre d’interactions présentes entre la végétation, la pluie, le transport des sédiments et la présence d’herbivore en milieu aride, ainsi que leur nature non-linéaire rend difficile de représenter ces interactions à l’aide de modèle physique et mathématique. La modélisation complexe est mieux adaptée à la représentation des interactions complexes entre la végétation, la pluie, le transport des sédiments et la présence d’herbivores dans les systèmes arides. Un nombre considérable d’études ont utilisées les modèles complexes pour étudier l’effet de la végétation sur le transport des sédiments ou l’effet de la présence d’herbivore sur la végétation, mais peu d’études ont utilisées une approche intégrant ces trois composantes en un même modèle. Un nouveau modèle d’herbivorie basé sur l’agent (GrAM) est présenté sous forme d’extension du modèle ViSTA_M17 et permet une meilleure représentation de l’impact des régimes de pâturage en environnement aride végétalisé. Cet ajout ayant un modèle complexe de transport des sédiments et de végétation déjà établit vise présenter un modèle hybride pouvant représenter l’impact de l’herbivorie sur la composition végétale et le transport des sédiments en environnement aride à l’échelle du paysage. Le développement du nouveau module à l’intérieur de la structure du modèle ViSTA original a souligné certaines limites de ce dernier, notamment une sensitivité importante de la végétation et de la force de cisaillement du vent. Le modèle ViSTA_GrAM répond à certaines limites du modèle original par l’intégration d’un nouveau module d’herbivorie et présente une avancée vers une modélisation environnementale englobante permettant une meilleure compréhension des dynamiques spatiales et temporelles des environnements arides. L’approche englobante utilisée par le modèle ViSTA_GrAM est bénéfique à la prise de décision, puisqu’elle offre un outil permettant d’explorer les réponses des environnements arides à un changement de leur végétation, leur régime de pluie, leur régime de transport des sédiments ou leur régime d’herbivorie. Les modèles complexes et l’exploration de scénarios futurs des environnements arides peuvent permettre d’améliorer la gestion de ces mêmes environnements. / Vegetated arid environments will be among one of the most affected by desertification as a result of climate change. These sparsely vegetated regions exhibit a delicate balance of resilience and vulnerability that are profoundly challenged by desertification, potentially producing an important positive feedback leading to increased aeolian activity and therefore land degradation. The high level of interaction between rainfall, vegetation, sediment transport and grazing in these arid environments and the non-linear nature of these interactions make them difficult to predict by traditional mathematical modeling mean. Complex modeling, on the other hand, offer better representation of the intricate relation between vegetation, rainfall, sediment transport and grazing in an arid environment system. A sizable amount of studies has been conducted with complex models to explore the effect of vegetation on sediment transport or grazing effect on vegetation, but few have used a truly integrative approach where all tree components were represented in a complex model. This research present a novel agent-based model (GrAM) integrated as an extension to already complete sediment transport-vegetation complex model (ViSTA) allowing a more refined representation of grazer’s impact in vegetated arid environments. This addition to the ViSTA model is aimed to combine a land management and systematic approach in a coupled model, to represent, at a landscape level, the impact of grazing on the composition of vegetation and sediment movement in arid environments. The development of this new module within the original ViSTA model, has highlighted some limitations of this model, most notably concerning its sensitivity to vegetation and wind shear. The ViSTA_GrAM model addresses these limitations through integrating a new module of grazing as the next step toward an integrated modelling effort that permits models to effectively increase our spatial and temporal understanding of arid environments vegetation, sediment transport and grazing dynamics. Integrative approach, like the one provided by the ViSTA_GrAM model, is beneficial to decision making by providing tools to investigate the response of an arid environment to different state of their vegetation, rainfall regime, wind stress and grazing regime. By developing complex modeling in arid environment and exploring various future scenarios for arid environment, we hope to lead to better management plan of those same environment.

Les ravins de thermo-érosion constituent l’une des formes de dégradation du pergélisol les plus fréquemment observées dans l’Arctique canadien. Bien que leurs processus de formation aient fait l’objet de plusieurs études, aucune ne s’est attardée spécifiquement à dresser un portrait continu des flux de matières qu’ils génèrent au cours d’une saison d’écoulement. Ce mémoire représente une analyse à fine échelle des transferts de masse induits par ce type de perturbation. Il vise à déterminer les impacts d’une dégradation abrupte du pergélisol par thermo-érosion sur les processus hydrologiques en place et les flux de matières. Après 20 ans de développement, le ravin R-08, situé sur une terrasse de polygones à coins de glace sur l’île Bylot, au Nunavut, forme un réseau d’écoulement de 33 458 m2, auparavant inexistant. Présentant un taux de recul rapide de 390 m par année lors de son initiation, ce ravin subit aujourd’hui un recul de 5 m par année sur son axe principal, générant le transport en aval d’une quantité considérable de matière. Les analyses de l’eau qui y circule révèlent quatre signatures biogéochimiques distinctes au cours d’une saison d’écoulement, associées respectivement à la fonte printanière de la neige, à la période de récession hydrologique subséquente, aux évènements de pluie, ainsi qu’aux périodes de récession hydrologique entre ces évènements. Même si la fonte printanière nivale représente un moment crucial pour les exportations de matière, les flux de carbone organique dissous (DOC), d’azote total (TN), de calcium (Ca2+), de sodium (Na+) et de magnésium (Mg2+) les plus élevés ont été enregistrés lors des évènements de pluie. La température, et le dégel du sol qu’elle induit, représente également un vecteur d’érosion et mobilisation des sédiments vers l’aval. Les travaux démontrent que la présence d’un ravin de thermo-érosion a des impacts marqués sur la biogéochimie de l’eau qui y circule et que ces impacts sont particulièrement significatifs après la fonte printanière, alors qu’il y a propagation du front de dégel en profondeur dans le sol. / Les ravins de thermo-érosion constituent l’une des formes de dégradation du pergélisol les plus fréquemment observées dans l’Arctique canadien. Bien que leurs processus de formation aient fait l’objet de plusieurs études, aucune ne s’est attardée spécifiquement à dresser un portrait continu des flux de matières qu’ils génèrent au cours d’une saison d’écoulement. Ce mémoire représente une analyse à fine échelle des transferts de masse induits par ce type de perturbation. Il vise à déterminer les impacts d’une dégradation abrupte du pergélisol par thermo-érosion sur les processus hydrologiques en place et les flux de matières. Après 20 ans de développement, le ravin R-08, situé sur une terrasse de polygones à coins de glace sur l’île Bylot, au Nunavut, forme un réseau d’écoulement de 33 458 m2, auparavant inexistant. Présentant un taux de recul rapide de 390 m par année lors de son initiation, ce ravin subit aujourd’hui un recul de 5 m par année sur son axe principal, générant le transport en aval d’une quantité considérable de matière. Les analyses de l’eau qui y circule révèlent quatre signatures biogéochimiques distinctes au cours d’une saison d’écoulement, associées respectivement à la fonte printanière de la neige, à la période de récession hydrologique subséquente, aux évènements de pluie, ainsi qu’aux périodes de récession hydrologique entre ces évènements. Même si la fonte printanière nivale représente un moment crucial pour les exportations de matière, les flux de carbone organique dissous (DOC), d’azote total (TN), de calcium (Ca2+), de sodium (Na+) et de magnésium (Mg2+) les plus élevés ont été enregistrés lors des évènements de pluie. La température, et le dégel du sol qu’elle induit, représente également un vecteur d’érosion et mobilisation des sédiments vers l’aval. Les travaux démontrent que la présence d’un ravin de thermo-érosion a des impacts marqués sur la biogéochimie de l’eau qui y circule et que ces impacts sont particulièrement significatifs après la fonte printanière, alors qu’il y a propagation du front de dégel en profondeur dans le sol.

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Les plaques de glace forment de petites masses de glace et de neige permanentes qui sont considérées comme un stade intermédiaire dans le continuum neige-glacier. Elles sont omniprésentes dans les régions polaires, ce qui leur confère une fonction centrale dans l’hydrologie et la géomorphologie des versants. Pourtant, très peu d’études s’y sont intéressées jusqu’à présent. Acquérir des connaissances sur ces plaques apparait donc essentiel, non seulement pour comprendre leurs caractéristiques intrinsèques, mais aussi parce que cela ouvre des perspectives importantes pour comprendre la dynamique du géosystème polaire. Afin de répondre à ce besoin, cette thèse cherche à établir l'origine et le fonctionnement des plaques de glace à l’île Ward Hunt (Haut-Arctique canadien) et d’en comprendre les effets sur la dynamique de versant du désert polaire. Cette recherche sur les plaques de glace a été guidée par une approche multidisciplinaire, conduisant à des études glaciologiques, nivologiques, hydrologiques et biogéomorphologiques. Nos résultats ont montré que les plaques de glace se développent par l’aggradation de glace surimposée qui se forme suite au regel de l'eau de fonte à la base de l’accumulation de neige saisonnière. La texture et les propriétés physiques de cette glace varient en fonction de son âge et de l’intensité des processus de recristallisation. La variabilité spatio-temporelle des plaques de glace est principalement contrôlée par la topographie locale et les conditions micrométéorologiques. En hiver, les apports en neige dans les niches topographiques où se forment les plaques de glace sont assurés par le vent. En été, l’intensité de l’ablation est fortement influencée par le vent et le brouillard, qui modulent les échanges d’énergie à la surface des plaques. L'évolution des plaques de glace se caractérise par une stabilité à long terme due à un mécanisme d'autorégulation du bilan de masse assuré par le contexte topoclimatique. Cependant, en raison de leur petite taille, les plaques de glace peuvent disparaître rapidement lorsque l'ablation estivale dépasse un seuil à partir duquel les conditions topoclimatiques ne peuvent plus assurer leur préservation. À Ward Hunt, la présence des plaques de glace depuis au moins plusieurs siècles fait qu’elles ont fortement contribué au développement des versants. Les apports durables en eau et sédiments qui en découlent en été ont enclenché une suite de processus abiotiques et biotiques azonaux dans les marges pronivales. Il en a résulté la formation de systèmes biogéomorphologiques qui consistent en des lobes de solifluxion et des milieux humides colonisés par de la végétation et un couvert de croute biologique. Les modifications morphologiques et physiques du sol en aval des plaques de glace influencent le régime thermique de surface et les profondeurs de dégel. En outre, le développement des zones humides entraine une modification locale des propriétés physiques de la neige en exacerbant le métamorphisme cinétique qui aboutit à la croissance d’une couche de givre de profondeur à la base du manteau neigeux. En apportant une compréhension holistique des plaques de glace polaires, cette thèse permet des avancées empiriques et conceptuelles importantes qui contribuent à mieux comprendre la dynamique du géosystème de désert polaire à un moment charnière où ces environnements subissent en transition rapide en réponse au changement climatique. / Ice patches are small perennial masses of ice and snow that are considered as part of the continuum between seasonal snow and glacier. They are ubiquitous in the Polar Regions, which gives them an important function in slope hydrology and geomorphology. Ice patches have, however, received very little scientific attention so far. Gaining new knowledge on these cryospheric elements thus appears essential, not only to understand their intrinsic characteristics, but also because it holds important perspectives for understanding the dynamics of the polar geosystem. To address this need, this thesis aims to investigate the origin and functioning of the ice patches at Ward Hunt Island (Canadian High Arctic) and to understand their effects on polar desert slope dynamics. This research on ice patches was guided by a multidisciplinary approach, involving glaciological, snow, hydrological and biogeomorphological studies. Our results demonstrated that ice patches develop through the aggradation of superimposed ice that forms by the refreezing of meltwater at the base of the seasonal snowpack. The texture and physical properties of this ice vary according to its age and the intensity of recrystallization processes. The spatio-temporal variability of ice patches is mainly controlled by local topography and micrometeorological conditions. In winter, the snow supply to the topographic niches where ice patches form is provided by the wind. In summer, the intensity of ablation is strongly influenced by wind and fog, which modulate energy exchange at the surface of the patches. The evolution of ice patches is characterized by long-term stability due to a self-regulating mass balance mechanism provided by the topoclimatic context. However, because of their small size, ice patches can disappear very quickly when summer ablation exceeds a threshold at which topoclimatic conditions can no longer ensure their preservation. At Ward Hunt Island, the presence of the ice patches for at least several centuries makes them important drivers of slope development. Sustained meltwater and sediment supplies delivered by ice patches to their pronival margin have triggered a sequence of abiotic and biotic azonal processes. This led to the formation of a biogeomorphic system, consisting of solifluction lobes and humid zones colonized by vegetation and an organic crust cover. Morphological and physical changes in the soil downslope of the ice patches influenced the surface thermal regime and thaw depths. Furthermore, our results show that the humid zone development leads to a local modification of the physical properties of snow by enhancing kinetic metamorphism responsible for the growth of a depth hoar layer at the base of the snowpack. Through a comprehensive understanding of polar ice patches and their effects, this thesis provides important empirical and conceptual advances that contribute to a better understanding of polar desert geosystem dynamics at a pivotal time when these environments are undergoing a rapid transition in response to climate change.