L'objectif de ce mémoire est de développer une approche pour évaluer, à l'échelle régionale, l'impact des changements climatiques sur l'évolution des habitats des poissons en régions nordiques. En première partie, les performances du modèle unidimensionnel de lac MyLake ont été évaluées dans le contexte d'une étude internationale de comparaison de modèles (ISIMIP). Cela a permis de vérifier que le modèle est applicable à une large gamme de lacs. 62 lacs ont été calibrés en utilisant un algorithme d'évolution différentielle. Le nombre de mesures de température, la superficie de lacs et leur localisation géographique jouent un rôle sur les performances du modèle. Les indicateurs de performance suggèrent que le modèle performe bien, même pour les lacs en dehors des régions nordiques pour lesquels le modèle a été conçu. Ensuite, MyLake a été utilisé pour simuler la dynamique couplée de la température, de l'oxygène et la lumière dans 210 lacs suédois. Le modèle a d'abord été calibré pour 12 lacs pour lesquels une grande quantité de données de terrain était disponible. Par la suite, les paramètres du modèle ont été extrapolés avec des régressions linéaires en utilisant les caractéristiques morphométriques des lacs comme prédicteur. Cela a permis de modéliser le reste des lacs sans avoir à calibrer le modèle, c'est-à-dire en l'absence d'observations in situ. Les simulations ont été forcées par la météo locale issue des scénarios climatiques, projetés par six modèles de circulation générale. Elles montrent que les petits lacs deviendront plus chauds dans le futur, avec une durée plus courte du couvert de glace. L'oxygène dissous devrait augmenter à la fin de l'hiver, et diminuer en fin d'été, entrainant une perte d'habitat pour les poissons prédateurs d'eaux froides. Ces résultats montrent la faisabilité de la modélisation à une échelle régionale lorsque peu de données de terrain sont disponibles. / This Master's thesis aims to develop an approach to assess at the regional scale, the impact of climate change on the evolution of fish habitats in northern regions. In the first part, we evaluated the performance of the one-dimensional lake model MyLake in the context of the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISIMIP). This analysis verifies that the model applies to a wide range of lakes. We conducted a calibration of 62 lakes using the differential evolution algorithm. The number of temperature observations, the surface area of lakes, and their geographical location exert control over the performance of the model. Nevertheless, the performance indicators show the model performs well even for lakes outside the northern regions. Then, the MyLake model was used to simulate the coupled dynamics of temperature, oxygen, and light in 210 Swedish lakes. We first calibrated MyLake for 12 lakes, for which a large number of field data was available. Next, the model parameters were extrapolated with linear regressions using the morphometric characteristics of the lakes as a predictor. Those relationships between parameters and characteristics made it possible to simulate the rest of the lakes without having to calibrate the model in the absence of in situ data. Climate projections drove the model from six global climate models (GCM) produced by the CORDEX project, along with the two climate scenarios (RCP 4.5 and RCP 8.5). The simulations show that the small lakes will become warmer in the future, with a shorter duration of the ice cover. The simulations also predict that the dissolved oxygen to increase at the end of winter and decrease at the end of summer, leading to a loss of habitat for cold water predatory fish. These results show the feasibility of modelling at a regional scale when little field data is available.

L'objectif de ce mémoire est de développer une approche pour évaluer, à l'échelle régionale, l'impact des changements climatiques sur l'évolution des habitats des poissons en régions nordiques. En première partie, les performances du modèle unidimensionnel de lac MyLake ont été évaluées dans le contexte d'une étude internationale de comparaison de modèles (ISIMIP). Cela a permis de vérifier que le modèle est applicable à une large gamme de lacs. 62 lacs ont été calibrés en utilisant un algorithme d'évolution différentielle. Le nombre de mesures de température, la superficie de lacs et leur localisation géographique jouent un rôle sur les performances du modèle. Les indicateurs de performance suggèrent que le modèle performe bien, même pour les lacs en dehors des régions nordiques pour lesquels le modèle a été conçu. Ensuite, MyLake a été utilisé pour simuler la dynamique couplée de la température, de l'oxygène et la lumière dans 210 lacs suédois. Le modèle a d'abord été calibré pour 12 lacs pour lesquels une grande quantité de données de terrain était disponible. Par la suite, les paramètres du modèle ont été extrapolés avec des régressions linéaires en utilisant les caractéristiques morphométriques des lacs comme prédicteur. Cela a permis de modéliser le reste des lacs sans avoir à calibrer le modèle, c'est-à-dire en l'absence d'observations in situ. Les simulations ont été forcées par la météo locale issue des scénarios climatiques, projetés par six modèles de circulation générale. Elles montrent que les petits lacs deviendront plus chauds dans le futur, avec une durée plus courte du couvert de glace. L'oxygène dissous devrait augmenter à la fin de l'hiver, et diminuer en fin d'été, entrainant une perte d'habitat pour les poissons prédateurs d'eaux froides. Ces résultats montrent la faisabilité de la modélisation à une échelle régionale lorsque peu de données de terrain sont disponibles. / This Master's thesis aims to develop an approach to assess at the regional scale, the impact of climate change on the evolution of fish habitats in northern regions. In the first part, we evaluated the performance of the one-dimensional lake model MyLake in the context of the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISIMIP). This analysis verifies that the model applies to a wide range of lakes. We conducted a calibration of 62 lakes using the differential evolution algorithm. The number of temperature observations, the surface area of lakes, and their geographical location exert control over the performance of the model. Nevertheless, the performance indicators show the model performs well even for lakes outside the northern regions. Then, the MyLake model was used to simulate the coupled dynamics of temperature, oxygen, and light in 210 Swedish lakes. We first calibrated MyLake for 12 lakes, for which a large number of field data was available. Next, the model parameters were extrapolated with linear regressions using the morphometric characteristics of the lakes as a predictor. Those relationships between parameters and characteristics made it possible to simulate the rest of the lakes without having to calibrate the model in the absence of in situ data. Climate projections drove the model from six global climate models (GCM) produced by the CORDEX project, along with the two climate scenarios (RCP 4.5 and RCP 8.5). The simulations show that the small lakes will become warmer in the future, with a shorter duration of the ice cover. The simulations also predict that the dissolved oxygen to increase at the end of winter and decrease at the end of summer, leading to a loss of habitat for cold water predatory fish. These results show the feasibility of modelling at a regional scale when little field data is available.

Le suivi des glaces sur le fleuve St-Laurent est primordial, à des fins de sécurité civile, d'efficacité du transport maritime et de surveillance des changements climatiques. Alors que les études des glaces à la dérive sont habituellement locales, ce mémoire présente l'étude d'un tronçon d'environ 250 km sur le fleuve St-Laurent, entre Montréal et Québec, faite par imagerie infrarouge aéroportée. Par l'acquisition de températures de surface et avec une équation de diffusion de chaleur dans les glaces modélisée par éléments finis, le lien entre la température de surface et l'épaisseur des glaces est fait. Diverses caractéristiques supplémentaires des glaces sont extraites (concentration, taille, forme). Certaines limites d'utilisation, en termes de conditions météorologiques (pluie, neige ou brouillard) et en termes d'épaisseur maximale pouvant être détectée, sont toutefois atteintes. La thermographie infrarouge est appropriée au suivi des glaces sur le fleuve StLaurent, mais elle a ses limites comme toute autre méthode. / Surface ice observations on the St. Lawrence River are needed to provide a safe and effective waterway, as weil as to study climate changes. Usually made locally, ice characterization is made on a reach of 250 km between Montreal arid Quebec City, from airbome thermal imaging. lee surface temperatures are acquired, and a heat transfer equation modeled through a finite-element model links these temperatures to ice thicknesses. lee characteristics, such as concentration, size and shape, are also obtained. Operationallirnits in the form of rain, snow and fog, are encountered, as weil as maximum detectable thicknesses due to the physics of heat transfer and to the model used. Overall, infrared imaging is a well-suited technology for drift ice observations on the St. Lawrence River, but it has its lirnits, just as any other technology.

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.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2004-2005 / Traditionnellement, les études portant sur les lacs sont basées sur des données obtenues à une fréquence mensuelle ou bimensuelle en assumant une certaine homogénéité des caractéristiques limnologiques dans le temps. Cependant, certaines études ont montré qu’à l’échelle de quelques jours, des changements importants peuvent survenir dans un lac. L’un des objectifs du mémoire était donc d’évaluer la dynamique à court terme d’un lac de dimension modeste avec une fréquence d’échantillonnage élevée (2 fois par semaine) combiné à des données obtenues en continu. À cette fin, le lac Saint-Augustin, un lac eutrophe de 0,5 km² et d’une profondeur moyenne de 3 m situé sur le territoire de la ville de Québec, a été sélectionné. Les résultats indiquent que les conditions météorologiques 24h à 48h précédant l’échantillonnage ont un grand impact sur la stabilité thermique de la colonne d’eau et que celle-ci, à son tour, provoque des effets sur plusieurs paramètres. Un deuxième volet du mémoire avait comme objectif de déterminer la cause de la floraison de cyanobactérie qui est survenue au cours de l’été 2002. Les floraisons de cyanobactéries sont un des symptômes les plus dramatiques de l’eutrophisation des lacs. Les résultats indiquent que les conditions météorologiques affectent en très peu de temps (24h) la stabilité thermique du lac et que la présence d’une séquence de conditions de mélange suivie d’une période de stratification a été vraisemblablement la cause de la floraison de l’été 2002, alors que l’absence de cette séquence à l’été 2003 a résulté en une absence de floraison. Cette étude souligne l’importance à accorder aux stratégies d’échantillonnage pour tenir compte de la dynamique à court terme et ainsi obtenir un portrait plus juste d’un lac. Elle montre aussi qu’avec le réchauffement climatique et l’augmentation de la fréquence de périodes de stratification dans les lacs qui lui est potentiellement associé, il est à anticiper que les épisodes de floraisons de cyanobactéries seront plus fréquents. Ceci est particulièrement vrai pour les lacs eutrophes, déjà prédisposés aux floraisons de cyanobactéries, ce qui plaide en faveur du contrôle de l’eutrophisation des lacs dès maintenant. / Traditionally lake studies use data obtained biweekly or monthly assuming a certain homogeneity of parameters in time. However several studies have showed that at daily scale major changes can occur. One of the main goal of this thesis was to evaluate short-term dynamics in a small lake with a high sampling frequency (twice a week) in combination with continuous data. Saint-Augustin lake, a eutrophic lake of 0,5 km2 and 3 m mean depth, has been chosen. Results show that the weather conditions 24h to 48h prior to the sampling date had great impact on the water column thermal stability that in turn affects several limnological parameters. A second aspect of the thesis was to understand the causes underlying the cyanobacterial blooms that occurred in summer 2002. Cyanobacterial blooms are one of the most striking symptoms of eutrophied lakes. Results show that weather conditions alter very quickly (24h) the thermal stability of the water column. It appears that mixing conditions immediately followed by thermal stratification are likely to be responsible for the summer 2002 blooms, and the absence of this chain of events in summer 2003 is linked with the absence of cyanobacterial bloom that year. This study stresses the importance in choosing the correct sampling strategies in order to take into account the short term dynamics and thus getting a better picture of the lake. It also shows that with global warming and enhancement of period of thermal stratification that is likely to follow, cyanobacterial blooms should be more frequent. This is particularly true for eutrophic lakes already sensitive to blooms. To limit the impact of global warming on lakes, a better control of eutrophication is needed.

Les changements globaux ont le potentiel d'altérer les cycles biogéochimiques entraînant des répercussions pour tout le réseau alimentaire. Puisque l'azote est généralement l'élément limitant en milieu estuarien, une altération de son cycle pourrait influencer l'ampleur et le type de production primaire ainsi que la composition de la communauté phytoplanctonique qui l'effectue. Il en va de même pour la composition de la matière organique qui peut affecter la valeur nutritive des algues pour les consommateurs de même que l'efficacité de la pompe biologique. Actuellement, aucune étude portant sur les impacts combinés de l'acidification et du réchauffement des eaux de l'estuaire maritime du Saint-Laurent n'a été réalisée. L'objectif de ce projet de maîtrise fut d'évaluer expérimentalement, à l'aide de mésocosme, les impacts cumulés que ces changements pourraient avoir sur la dynamique des nutriments et de l'azote en particulier ainsi que sur la composition élémentaire de la matière organique. Une combinaison factorielle de six pH (7,2; 7,4; 7,6; 7,8; 8,0 et un pH sans contrôle) et de deux températures (10 et 15°C) fut employée. Les résultats de l'expérience suggèrent que les organismes responsables des processus à l'étude sont tolérants à une diminution considérable du pH. Ceux-ci furent toutefois affectés par la hausse de température, qui entraîna une diminution du ratio N:P de consommation des nutriments, accéléra le développement de la floraison phytoplanctonique et l'épuisement des nutriments, puis mena à un changement taxonomique en fin d'expérience. Ce changement est possiblement responsable des différences observées dans la composition de la matière organique particulaire (POM) lors du déclin de la floraison planctonique (diminution des ratios POC:PON, POC:POP, POC:BSi et hausse du ratio BSi:PON). Ces résultats suggèrent que pour l'estuaire maritime du Saint-Laurent, le réchauffement pourrait entraîner des changements stœchiométriques au sein de la POM avec des conséquences probables pour les niveaux trophiques supérieurs et la pompe biologique.

En juillet 2013, une urgence environnementale a eu lieu dans la municipalité du Lac-Mégantic en Estrie, à la suite d’un déraillement d’un train qui transportait du pétrole. Ce déraillement a provoqué des explosions et des incendies dans le centre-ville. Près de 100 000 litres de pétrole ont réussi à atteindre le Lac-Mégantic et la rivière Chaudière. À la suite de cet accident, plusieurs interventions ont été mises en place afin de limiter les dégâts et l’élaboration de ce projet de maîtrise découle de cette catastrophe. Un des objectifs poursuivis était d’améliorer la prise de décisions des différents intervenants en cas de déversement de substances en milieu aquatique. En générant des modèles de suivi du pétrole, cela pourrait les aider dans leurs prises de décisions. Par exemple, pour décider du moment de la fermeture des prises d’eau potable des villes et des industries ou encore pour l’installation des estacades pour confiner le pétrole. Pour développer ce modèle de transport de polluants dans la rivière Chaudière, le logiciel HEC-RAS et son module de qualité de l’eau, ont été utilisés. Le modèle développé tient compte uniquement de la dispersion longitudinale puisque le temps entre le moment du déversement et le déploiement des intervenants sur le lieu serait suffisamment grand pour que le pétrole se situe dans la zone du champ lointain et, conséquemment, les concentrations des polluants seraient homogènes. La zone du champ lointain correspond à la zone pour laquelle il ne reste plus que de la dispersion longitudinale puisque la diffusion verticale et transversale est terminée. Les paramètres nécessaires pour réaliser cette modélisation sont la période de simulation, la concentration initiale du polluant, la masse de pétrole déversé, les conditions limites, les types d’équations de croissance (passif ou actif) et le coefficient de dispersion. Ce dernier paramètre a été déterminé expérimentalement afin de choisir parmi les nombreuses équations empiriques existantes laquelle permettrait d’obtenir un coefficient proche de la valeur expérimentale obtenue soit de 4,37 m2/s. Ces équations considèrent les aspects naturels du milieu pour lesquels elles ont été créées et c’est l’équation de Li et al. 1998 (1) qui a été retenue pour le modèle. Une fois l’ensemble des paramètres connus et obtenus de la littérature, plusieurs scénarios de déversements pour différents débits ont été simulés pour valider le modèle. Des courbes de concentration du pétrole en fonction du temps à différents endroits sur la rivière Chaudière ont été obtenues, ainsi que les temps de séjour moyens du pétrole. Avec ce modèle, il a été déterminé que le pétrole prendrait 161,8 h pour atteindre le pont de Saint-Lambert-De-Lauzon pour un débit d’étiage de 3,8 m3/s et prendrait 33,2 h pour un débit de crue de 183,4 m3/s. De plus, avec ce modèle le moment pour lequel le pétrole atteindra la prise d’eau potable de Sainte-Marie pourrait être connu. La température de l’eau est un paramètre qui intervient dans les différents processus de transformation des contaminants lors de déversement. Par contre, ce paramètre n’a pas pu être pris en compte avec le logiciel HEC-RAS. En complément à ce modèle de transport du pétrole et en préparation pour le développement d’un modèle plus complexe, la modélisation du régime thermique de la rivière Chaudière a été réalisée. Cette modélisation a été conçue en utilisant une régression linéaire multiple, ainsi que les données issues de sondes de température ONSET HOBO U20 0-4M. Ces sondes ont été installées à neuf endroits sur la rivière pour la période allant du 19 septembre au 22 octobre 2017. Les données pour établir la relation linéaire avec celle de la température de l’eau sont : la température de l’air, la température de l’air de la veille (°C), la température de l’air de l’avant-veille (°C), le débit (m3/s) et le temps (jours). Les coefficients de détermination obtenus lors de cette modélisation se situent entre 83 % et 98 % pour l’ensemble des sites et l’erreur quadratique moyenne se situe entre 0,55 et 0,97. Par la suite, une corrélation a été établie entre les équations de régression de la rivière Etchemin et de la rivière Chaudière. Une fois cette corrélation établie, la régression linéaire annuelle pour la rivière Etchemin a été modifiée pour tenir compte de cette corrélation. En tout, dix-huit équations ont été obtenues pour prédire la température de l’eau à différents endroits sur la rivière Chaudière, et ce, pour différentes périodes de l’année.