Thèse (M.Sc.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2007. / Titre de l'écran-titre (visionné le 26 juin 2009). In ProQuest dissertations and theses. Publié aussi en version papier.

Des données de terrain et des études de modélisation ont montré que la recharge d'eau de fonte sous les calottes glaciaires peut avoir un impact important et durable sur l'écoulement des eaux souterraines. En Estonie, au nord du Bassin Artésien Balte (BAB), ce mécanisme de recharge est invoqué pour expliquer la présence d’importants volumes d'eaux souterraines marquées par un signal isotopique et géochimique glaciaire caractéristique, étant donné que la région a connu plusieurs glaciations durant le Pléistocène et a été entièrement recouverte par la calotte Fennoscandienne au cours du Dernier Maximum Glaciaire (DMG), il y a 20000 ans environ. Cette étude vise à tester cette hypothèse à l’aide de simulations numériques. En premier lieu, une étude conceptuelle a été effectuée pour déterminer quels processus sous-glaciaires doivent être représentés dans un modèle numérique qui reproduise adéquatement les écoulements souterrains et le transport de solutés. Les processus suivants ont été étudiés: la recharge sous-glaciaire d'eau de fonte, la déformation poroélastique du milieu poreux sous le poids de la glace, l’isostasie, l’évolution du drainage en surface, le permafrost et les écoulements densitaires impliquant des eaux douces de fonte et des saumures profondes. Ces processus ont été simulés dans un modèle représentant un bassin sédimentaire conceptuel, au cours d'un épisode glaciaire suivi d'une période postglaciaire. Le transport de trois traceurs d’eau glaciaire a été simulé: δ18O, solides dissouts et âge de l’eau. Les résultats montrent que la simulation de la recharge sous-glaciaire avec une condition-limite de type 1 (Dirichlet) n'est pertinente que pour des flux de faible amplitude, ce qui pourrait être le cas sous des calottes glaciaires dont la base n’est que partiellement en fusion. La compression de la matrice rocheuse diminue les surpressions, qui apparaissent uniquement dans les couches à faible diffusivité hydraulique et épaisses. Si la recharge sous-glaciaire est faible, la compression de la matrice rocheuse peut entraîner des sous-pressions après le retrait de la calotte glaciaire. L’isostasie réduit considérablement l'infiltration d'eau de fonte et les écoulements d'eau souterraine. Sous la couche de pergélisol, l'écoulement des eaux souterraines est réduit en-dessous de la calotte glaciaire mais augmente en région périglaciaire. Tenir compte des variations de densité en lien avec la salinité diminue l'infiltration d'eau de fonte en profondeur. Cette étude montre que chaque processus sous-glaciaire est potentiellement important et devrait être pris en compte dans des modèles d’écoulement des eaux souterraines et de transport de solutés en milieu sous-glaciaire. Cependant, il est raisonnable de ne représenter que la recharge sous-glaciaire si les informations manquent pour décrire correctement les autres processus. Par conséquent, ce seul processus a été simulé pour reproduire les écoulements d'eau souterraine sous la calotte Fennoscandienne dans le BAB. Les simulations ont été réalisées dans deux modèles 2D verticaux, afin de vérifier si la recharge sous-glaciaire d’eau de fonte peut expliquer la distribution particulière de δ18O (un traceur d’eau de fonte) dans les eaux souterraines de la région. L’un recoupe l’Estonie, l’autre la Lettonie et les îles estoniennes dans le Golfe de Riga. L'écoulement des eaux souterraines est simulé durant 28000 ans, depuis le DGM jusqu’à aujourd’hui, de même que le transport de δ18O pour tracer l'eau de fonte et confronter les résultats des simulations avec les données de terrain. L'espace d’incertitude de certains paramètres a été exploré, comme l’intensité et la durée de la recharge sous-glaciaire, ainsi que la composition isotopique initiale de l'eau de fonte. Les simulations fournissent un ajustement satisfaisant entre les valeurs observées et calculées de δ18O, confirmant l’hypothèse que le BAB a subi une phase de recharge sous-glaciaire durant le DMG. Elles montrent que la recharge sous-glaciaire a créé une inversion de l'écoulement des eaux souterraines dans le bassin. L’eau de fonte a infiltré tous les aquifères, en particulier les aquifères non confinés. Après le retrait de la calotte Fennoscandienne, l'eau de fonte a été entièrement remplacée par de l'eau météorique moderne, excepté dans les aquifères confinés où de l’eau de fonte a été préservée à proximité des zones de décharge. Par ailleurs, d’importants volumes d'eau de fonte sont probablement préservés sous la mer Baltique. Les simulations indiquent enfin que des épisodes de recharge sous-glaciaire antérieurs au DGM doivent être considérés afin d'expliquer les valeurs de δ18O dans la partie plus profonde du bassin. / Field evidence and modelling studies have shown that subglacial recharge of meltwater under wet-based ice-sheets can have a significant and long-lasting impact on groundwater flow. In the northern Baltic Artesian Basin (BAB), in Estonia, this mechanism of recharge is thought to be responsible of the presence of large volumes of groundwater with a characteristic glacial isotopic and geochemical signal, because the region experienced several glaciations during the Pleistocene and was entirely covered by the Fennoscandian ice-sheet during the Last Glacial Maximum (LGM), some 20 ky BP. The present study aims at testing this hypothesis by means of numerical simulations. First, a conceptual numerical study was performed to determine which glacial and subglacial processes need to be represented in numerical models for adequately capturing subglacial groundwater flow dynamics and solute transport. The relevance of the following processes was studied: subglacial recharge of meltwater, poroelastic deformation of the porous medium under ice-sheet loading, isostasy, evolution of surface drainage, permafrost, and density-dependent flow involving fresh glacial meltwater and deep brines. Simulations of these processes were conducted in a generic sedimentary basin during a single glacial event followed by a postglacial period. The transport of three common tracers of subglacial recharge was simulated: δ18O, TDS, and groundwater age. Results show that simulating subglacial recharge with a fixed flux boundary condition is relevant only for low fluxes, which could be the case under partially wet-based ice-sheets. Glacial loading decreases overpressures, which appear only in thick and low hydraulic diffusivity layers. If subglacial recharge is low, glacial loading can lead to underpressures after the retreat of the ice-sheet. Isostasy considerably reduces the infiltration of meltwater and the groundwater flow rates. Below permafrost, groundwater flow is reduced under the ice-sheet but is enhanced beyond the ice-sheet front. Accounting for salinity-dependent density reduces the infiltration of meltwater at depth. This study shows that each glacial process is potentially relevant in models of subglacial groundwater flow and solute transport. However, representing only subglacial recharge can be a reasonable assumption if information is missing to describe the other processes properly. Therefore, this single process is simulated to reproduce groundwater flow beneath the Fennoscandian ice-sheet in the northern BAB. Simulations are performed in two cross-sectional models, in order to check whether subglacial recharge of meltwater can explain the unusual distribution of δ18O in groundwater in the region, which serves as a tracer of glacial meltwater. One model crosses Estonia, the other crosses Latvia and Estonian islands in the Gulf of Riga. Groundwater flow is simulated over 28 ky, from the Last Glacial Maximum (LGM) to present-day, along with δ18O transport for tracing meltwater and to compare the results of the simulations with field data. Parameter space exploration of subglacial recharge conditions is used to tackle the uncertainty in the intensity and duration of subglacial recharge in the northern BAB, as well as in the isotopic composition of meltwater. Simulations provide a satisfying fit between the observed and the computed values of δ18O, supporting the idea that subglacial recharge happened in the northern BAB during the LGM. Simulations show that subglacial recharge created a flow reversal in the basin. Meltwater infiltrated into all aquifers, especially the shallow ones. After the retreat of the Fennoscandian ice-sheet, meltwater was entirely replaced by modern meteoric water, excepted in confined aquifers where some meltwater has been preserved close to the discharge areas. Large volumes of meltwater are also probably preserved beneath the Baltic Sea. Simulations also indicate that episodes of subglacial recharge prior to the LGM must be considered in order to explain the values of δ18O in the deeper basin.

Les précipitomètres tendent à sous-estimer les précipitations solides en présence de vent. Ces pertes sont typiquement évaluées en faisant le rapport des observations d'un précipitomètre sur celles d'un appareil plus précis, le Double-Fence Intercomparison Reference (DFIR). Pour des événements de faible précipitation, de petites erreurs dans les observations du DFIR peuvent induire des erreurs importantes dans le rapport de captage des mesures du précipitomètre sur les observations du DFIR. Pour cette raison, les événements de précipitation de moins de 3 mm sont généralement rejetés avant de réaliser une analyse de régression. Nous avons démontré qu'il était possible de déterminer une courbe de correction utilisant toutes les observations par la méthode des moindres carrés pondérés et par la méthode de maximum de vraisemblance (avec estimations locale et globale). L'utilisation de modèles de simulation de la couverture de neige a montré que les résultats utilisant les données corrigées sont nettement meilleurs. / Automatic precipitation gauges tend to underestimate solid precipitation in the presence of wind. These losses are typically evaluated by submitting the ratio of the gauge observations on those of a more accurate apparatus, the Double-Fence Intercomparison Reference (DFIR). For small precipitation events, small errors in the DFIR observations can induce important errors in the catch ratio of gauge measurements to the DFIR observations. For this reason, events of less than 3 mm are generally rejected before performing a regression analysis. In this report, we showed that it was possible to determine a correction curve using all the observations by the method of weighted least squares and by the method of maximum likelihood (using local and global estimations). The use of snow cover simulation models showed that the results using the corrected data are definitely better.

Le but de notre travail est de contribuer à la compréhension des interactions entre les gaz acides et la glace, à la fois pendant la phase atmosphérique de la glace, c'est à dire dans les nuages, et dans la neige après dépôt au sol. Les gaz polaires en général, et les acides en particulier, interagissent fortement avec la glace dans la quelle ils peuvent se dissoudre. Dans les nuages, ces interactions peuvent modifier fortement la composition de l'air, et ce point reste une inconnue majeure en chimie atmosphérique. La compréhension de la relation entre la composition de l'air et celle de la glace, appelée fonction de transfert air-neige, est également indispensable pour reconstituer la composition des paléoatmosphères à partir des carottes de glace. Afin de contribuer à élucider ces problèmes, nous avons étudié l'incorporation dans la glace des composés gazeux HCI et HN03. Les compositions à l'équilibre thermodynamique des solutions solides HCl-glace et HN03-glace, en fonction de la température et de la pression partielle du gaz, ont été obtenues expérimentalement en mesurant les profils de diffusion du gaz dans des monocristaux de glace. A -15 °C, le coefficient de diffusion est de l'ordre de 10-12 cm2/s pour HCI et de 10-10 cm2/s pour HN03. A la même température, sous une pression de 6 x 10-3 Pa, HN03 est environ 25 fois moins soluble que HCI avec pour solubilité respectives de 2,2 x 10-7 et 5 x 10-6 fraction molaire. Ces données ont été appliquées à différents phénomènes d'intérêt atmosphérique. Dans le cadre de la fonction de transfert air-neige, nos résultats ont été comparés à des données de terrain obtenues au Groenland. Il apparaît que, dans les flocons de neige, HCI en solution solide n'est pas en équilibre avec HCI en phase gazeuse. La teneur en HCI dans la neige est déterminée par des facteurs cinétiques lors de la formation des cristaux. Les résultats concernant HN03 suggèrent en revanche que, dans les flocons analysés, HN03 est en équilibre avec la phase gazeuse sans doute grâce à sa cinétique de diffusion plus rapide. Suite à ces résultats, nous avons proposé un mécanisme d'incorporation des gaz dans la glace lors de la croissance des cristaux. Celui-ci suggère que la relation liant la composition atmosphérique à la composition de la glace des nuages est fortement influencée par la dynamique atmosphérique et, en particulier, par les paramètres température et vitesse de refroidissement lors de la phase de formation du nuage. Les données obtenues au laboratoire intéressent aussi le domaine de l'hydrologie appliqué à la composition des eaux de fonte des neiges. Les résultats sur les solubilités de HCI et de HN03 et leur localisation probable dans le névé en cas de sursaturation expliquent semi quantitativement le phénomène observé d'élution préférentielle de l'ion nitrate par rapport à l'ion chlorure.

Depuis que l'assainissement des eaux usées est reconnu comme un des objectifs de développement durable des Nations Unies, le traitement et la gestion des eaux usées sont devenus plus importants que jamais. La modélisation et la digitalisation des stations de récupération des ressources de l'eau (StaRRE) jouent un rôle important depuis des décennies, cependant, le manque de données disponibles sur les affluents entrave le développement de la modélisation de StaRRE. Cette thèse vis e à faire progresser la modélisation des systèmes d'assainissement en général, et en particulier en ce qui concerne la génération dynamique des affluents. Dans cette étude, différents générateurs d'affluent (GA), qui peuvent fournir un profil d'affluent dynamique, ont été proposés, optimisés et discutés. Les GA développés ne se concentrent pas seulement sur le débit, les solides en suspension et la matière organique, mais également sur les substances nutritives telles que l'azote et le phosphore. En outre, cette étude vise à adapter les GA à différentes applications en fonction des différentes exigences de modélisation. Afin d'évaluer les performances des GA d'un point de vue général, une série de critères d'évaluation de la qualité du modèle est décrite. Premièrement, pour comprendre la dynamique des affluents, une procédure de caractérisation des affluents a été développée et testée pour une étude de cas à l'échelle pilote. Ensuite, pour générer différentes séries temporelles d'affluent, un premier GA a été développé. La méthodologie de modélisation est basée sur l'apprentissage automatique en raison de ses calculs rapides, de sa précision et de sa capacité à traiter les mégadonnées. De plus, diverses versions de ce GA ont été appliquées pour différents cas optimisées en fonction des disponibilités d'études et ont été des données (la fréquence et l'horizon temporel), des objectifs et des exigences de précision. Les résultats démontrent que : i) le modèle GA proposé peut être utilisé pour générer d'affluents dynamiques réalistes pour différents objectifs, et les séries temporelles résultantes incluent à la fois le débit et la concentration de polluants avec une bonne précision et distribution statistique; ii) les GA sont flexibles, ce qui permet de les améliorer selon différents objectifs d'optimisation; iii) les GA ont été développés en considérant l'équilibre entre les efforts de modélisation, la collecte de données requise et les performances du modèle. Basé sur les perspectives de modélisation des StaRRE, l'analyse des procédés et la modélisation prévisionnelle, les modèles de GA dynamiques peuvent fournir aux concepteurs et aux modélisateurs un profil d'affluent complet et réaliste, ce qui permet de surmonter les obstacles liés au manque de données d'affluent. Par conséquent, cette étude a démontré l'utilité des GA et a fait avancer la modélisation des StaRRE en focalisant sur l'application de méthodologies d'exploration de données et d'apprentissage automatique. Les GA peuvent donc être utilisés comme outil puissant pour la modélisation des StaRRE, avec des applications pour l'amélioration de la configuration de traitement, la conception de procédés, ainsi que la gestion et la prise de décision stratégique. Les GA peuvent ainsi contribuer au développement de jumeaux numériques pour les StaRRE, soit des système intelligent et automatisé de décision et de contrôle. / Since wastewater sanitation is acknowledged as one of the sustainable development goals of the United Nations, wastewater treatment and management have been more important then ever. Water Resource Recovery Facility (WRRF) modelling and digitalization have been playing an important role since decades, however, the lack of available influent data still hampers WRRF model development. This dissertation aims at advancing the field of wastewater systems modelling in general, and in particular with respect to the dynamic influent generation. In this study, different WRRF influent generators (IG), that can provide a dynamic influent flow and pollutant concentration profile, have been proposed, optimized and discussed. The developed IGs are not only focusing on flowrate, suspended solids, and organic matter, but also on nutrients such as nitrogen and phosphorus. The study further aimed at adapting the IGs to different case studies, so that future users feel comfortable to apply different IG versions according to different modelling requirements. In order to evaluate the IG performance from a general perspective, a series of criteria for evaluating the model quality were evaluated. Firstly, to understand the influent dynamics, a procedure of influent characterization has been developed and experimented at pilot scale. Then, to generate different realizations of the influent time series, the first IG was developed and a data-driven modelling approach chosen, because of its fast calculations, its precision and its capacity of handling big data. Furthermore, different realizations of IGs were applied to different case studies and were optimized for different data availabilities (frequency and time horizon), objectives, and modelling precision requirements. The overall results indicate that: i) the proposed IG model can be used to generate realistic dynamic influent time series for different case studies, including both flowrate and pollutant concentrations with good precision and statistical distribution; ii) the proposed IG is flexible and can be improved for different optimization objectives; iii) the IG model has been developed by considering the balance between modelling efforts, data collection requirements and model performance. Based on future perspectives of WRRF process modelling, process analysis, and forecasting, the dynamic IG model can provide designers and modellers with a complete and realistic influent profile and this overcomes the often-occurring barrier of shortage of influent data for modelling. Therefore, this study demonstrated the IGs' usefulness for advanced WRRF modelling focusing on the application of data mining and machine learning methodologies. It is expected to be widely used as a powerful tool for WRRF modelling, improving treatment configurations and process designs, management and strategic decision-making, such as when transforming a conventional WRRF to a digital twin that can be used as an intelligent and automated system.