Les marges de tourbières sont des écotones marqués par la présence de communautés végétales et de conditions édaphiques singulières. Elles sont généralement étudiées sur des sites naturels ou légèrement perturbés. L’objectif de ce projet est de déterminer les fonctions et la structure de ces marges dans un contexte de perturbations anthropiques, notamment l’isolement des tourbières dans une matrice agricole. L’étude porte sur la végétation et le sol de 21 transects marge-centre répartis également entre trois tourbières des basses terres du Saint-Laurent (Lac-à-la-Tortue, Mer Bleue et Alfred) qui représentent un gradient de perturbations. Les tourbières moins perturbées comme Lac-à-la-Tortue et Mer Bleue ont une végétation et une biogéochimie similaires à ce qui est observé ailleurs sur d’autres sites non perturbés. Les marges de la tourbière Lac-à-la-Tortue ne présentent aucune communauté végétale particulière alors que les marges de Mer Bleue ont au moins une ou deux communautés végétales de transition. Néanmoins, la présence de certaines espèces exotiques envahissantes, comme Frangula alnus et Phragmites australis subsp. australis, indique que les marges de la tourbière Mer Bleue subissent malgré tout l’influence des activités anthropiques environnantes. D’autre part, les marges naturelles de la tourbière Alfred ont été détruites par les activités agricoles et les marges actuelles étaient représentatives de sites fortement perturbés avec un dépôt de tourbe plus épais et une nappe phréatique plus basse qu’attendu à la limite de la marge. Le drainage intense des marges d’Alfred semble favoriser la croissance d’arbres et d’arbustes non spécifiques aux milieux humides. Par ailleurs, les conditions sèches des marges laissent présager une diminution de la capacité de stockage du carbone dans cette tourbière. Ceci témoigne de l’importance que devraient occuper les marges des tourbières dans les projets de conservation et de restauration des tourbières. / Peatland margins are ecotones characterized by their unique plant communities and edaphic conditions. However, they are usually studied in locations where the pressure from anthropogenic activities is relatively low. The goal of this project is to evaluate the functions and structure of ombrotrophic peatland margins in the context of anthropogenic disturbance. This project is based on the analysis of data collected on 21 transects distributed across three peatlands of the Saint Lawrence valley region (Lac-à-la-Tortue, Mer Bleue, and Alfred) chosen to represent a gradient of disturbance. The vegetation composition and biogeochemistry of the least disturbed sites (Lac-à-la-Tortue, and Mer Bleue) are similar to other undisturbed sites. Lac-à-la-Tortue margins do not have any transitional vegetation community while Mer Bleue margins have either one or two transitional communities. Nevertheless, exotic species such as Phragmites australis subsp. australis and Frangula alnus found on Mer Bleue raise concern regarding the ongoing urbanisation and agricultural activities around the peatland. On the other hand, Alfred's natural margins were destroyed by anthropic activities in the surrounding landscape which explains why we measured a thicker peat layer and a deeper water table than expected at the margin limits. The severe drainage of Alfred margins due to agriculture around the peatland is also responsible for the higher tree coverage and non-wetland species encroachment on its margins. The effect of this disturbance raises concern about the capacity of the margins nay the peatland to retain its carbon sequestration capacity. This study emphasizes the importance of integrating the peatland margins in conservation and restoration projects.

La matière particulaire est un agent nocif pour la santé humaine et la réduction de sa concentration atmosphérique est nécessaire dans une approche de santé publique. L’atteinte de cet objectif passe par, entre autres, la captation des particules par la végétation. La question que nous nous sommes posés est: quel est le potentiel de captation des arbres publics dans la ville de Montréal. Comme site à l’étude, nous avons choisi les grands parcs, car leur végétation arborescente couvre un pourcentage important de leur surface. Le modèle de captation de la matière particulaire du logiciel i-Tree a été utilisé pour définir la capacité de purification de l’air selon les caractéristiques spécifiques de chaque parc. Ces caractéristiques comprennent l’indice de surface foliaire des arbres (LAI) et l’étendue des canopées, les conditions météorologiques ainsi que les concentrations des particules dans l’air. Plusieurs méthodes et techniques de calcul de ces paramètres ont été testés et les plus appropriées retenues pour le calcul des intrants. Les calculs ont été faits sur une base journalière pour l’ensemble de l’année 2017. Les résultats montrent que le total des particules captées pendant l’année 2017 s’élève à un peu plus que 3.5 tonnes pour les quatorze parcs évalués. Selon nos calculs, la majeure partie de ces particules a été lessivée au sol par les pluies et un faible pourcentage a été remis en circulation. Un test de validation des résultats in situ n’a pas été concluant. Il n’en demeure pas moins que les résultats sont similaires aux résultats des recherches effectuées dans d’autres villes Nord-Américaines avec le modèle d’i-Tree. Ces résultats montrent que le rôle des arbres pour la purification de l’air est important tout au moins localement. Les possibilités d’améliorer les méthodes de calcul des intrants du modèle de captation sont également discutées. / Particulate matter is an agent harmful to human health and reducing its atmospheric concentration is necessary from a public health approach. Achieving this objective requires, among other things, the capture of particles by vegetation. Our research question was what is the potential of public trees in the city of Montreal for capturing such particles. We chose large parks as our study site, because trees cover a significant percentage of their surface. The particulate matter capture model of the i-Tree software was used to define the air purification capacity according to the specific characteristics of each park. These characteristics include tree leaf area index (LAI) and canopy extent, weather conditions, and particulate matter concentrations in the air. Several methods and techniques for calculating these parameters were tested and the most appropriate ones used for the calculation of inputs to the model. Calculations were made on a daily basis for the whole of 2017. The results show that just over 3.5 tonnes of particles were captured for the fourteen parks evaluated over this period. According to our calculations, most of these particles were leached to the ground by rain and a small percentage were put back into circulation. A validation test of the results in situ was inconclusive. The fact remains that the results are similar to those of research carried out in other North American cities with the i-Tree model. These results show that the role of trees for air purification is important at least locally. Possibilities for improving the methods of calculating the inputs for the capture model are also discussed.

Cette étude repose sur une analyse comparative des distributions d’éléments traces (ET) dans les podzols de deux forêts adjacentes qui se distinguent principalement par leur régime de perturbation. La forêt du site de l’Île a été protégée des perturbations majeures pendant plusieurs siècles, tandis que le site du Versant a subi un feu majeur il y a 100 ans. Bien qu’ils aient évolué à partir du même matériel parental et sous les mêmes conditions climatiques et topographiques, les sols de ces deux sites présentent des différences marquées au niveau de leur morphologie et de leurs propriétés chimiques. Notamment, le sol de l’Île, qui est dominée par des conifères, a un pH significativement plus faible dans l’entièreté du profil, un horizon B podzolique qui contient significativement plus d’oxydes de fer cristallin et des horizons organiques quatre fois plus épais en comparaison au sol du Versant, un peuplement de feuillus. L’objectif de ce projet de recherche était alors de démontrer comment les différentes conditions biogéochimiques affectent la rétention et la mobilisation des ET et plus spécifiquement, comment l’âge des forêts affecte le cycle des ET à travers son influence sur la pédogénèse. Dans chacun des deux sites, quatre pédons ont été creusés puis tous leurs horizons de sol ont été échantillonnés (total de 79 échantillons) afin de mesurer leurs concentrations extraites à l’acides et solubles dans l’eau en As, Cd, Cu, Pb, V et Zn. Les différences majeures entre les deux sites se trouvaient surtout dans les horizons organiques, où les concentrations totales de tous les ET étaient significativement plus élevées sur le Versant. Un cyclage biologique accru sur le Versant, par la présence de feuillus, dont Betula alleghaniensis, explique en partie les concentrations élevées dans la couche d’humus, particulièrement pour le Cd, le Cu et le Zn, dont les concentrations étaient jusqu’à 5 fois plus élevées dans l’horizon F du Versant. Cependant, le pourcentage d’ET en solution était significativement plus élevé sur l’Île pour tous les ET, à l’exception de l’As. Le très faible pH de l’Île a contribué à la mobilisation de ces ET. La rétention de Cd et de Zn était plus sensible à la variation de pH que les autres ET. Une quantité significative de Zn a été lessivée en dehors du profil de la forêt non-perturbée, car le stock total du profil de sol en Zn (mg/m2 par cm d’épaisseur) y est 4.5 fois plus faible que sur le Versant. Cette étude soulève l’impact direct et indirect de la dynamique de la végétation sur la pédogénèse et sur le cycle des ET dans les podzols. / This study is based on a comparative analysis of the distribution of trace elements (ET) in the podzolic soils of two adjacent forested sites that distinguish themselves based on their disturbance regime. The Island site was sheltered from major disturbances for several centuries, whereas a stand-replacing wildfire burned the area 100 years ago on the Hillslope site. Even though the soils of both sites developed from the same parent material and under the same climatic and topographic conditions, they display major morphological and chemical differences. The Island is a coniferous stand that has a significantly lower soil pH through the entire profile, a podzolic B horizon that contains significantly more crystalline iron oxide and organic horizons that are four times thicker than at the Hillslope, a deciduous stand. The objective of this research is to demonstrate how different biogeochemical conditions affect the retention and mobilisation of TE and more specifically how stand age influences the cycling of TE in soils through its impact on pedogenesis. In each site, four soil profiles were dug and all their horizons were sampled (total of 79 samples) in order to measure their acid-extracted and water-soluble concentrations of As, Cd, Cu, Pb, V and Zn. Major differences between the two sites are mainly found in organic horizons, where acid-extracted TE concentrations were significantly greater on the Hillslope. The enhanced biocycling caused by deciduous trees including Betula alleghaniensis contributed to the high concentrations in the humus layer of the Hillslope, especially of Cd, Cu and Zn, which were 5 times higher in the F horizon compared to the Island. Also, a higher percentage of TE was soluble on the Island for all TE, except for As. The solubilisation of TE was associated to the low soil pH of the older stand. Cd and Zn retention were more sensible to pH variation than other TE. A significant quantity of Zn was leached outside of the soil profile on the Island since the summed Zn content of the entire profile (mg Zn /m2 surface /cm thickness) was 4.5 times lower than on the Hillslope. This study highlights the direct and indirect impacts of vegetation on soil genesis and TE cycling in podzols.

Cette thèse, à travers une collection de cinq articles scientifiques, décrit et quantifie les processus de glace des cours d’eau à forte pente, donc à lit graveleux. Avant que ce projet de recherche ne soit entrepris, certains de ces processus étaient mal compris ou simplement absents de la littérature scientifique, et ce, alors que les cours d’eau à lit graveleux sont répandus en région froide. Les types de glace qui se forment le long de ces cours d’eau incluent la glace de fond, les seuils de glace, les barrages de glace, les champs de glaçage, les digues de glaçage, les couverts de glace suspendus et les carapaces de glace projetée. Certains processus de débâcle tels que les trains de glace et les embâcles sont également mentionnés dans la thèse, mais ne représentent pas son sujet principal. Cette recherche est le fruit de trois hivers d’observation et d’instrumentation sur le bassin versant de la rivière Montmorency. De manière spécifique, ce ne sont non pas quelques sites, mais plutôt plusieurs cours d’eau, d’un petit ruisseau de tête de bassin versant jusqu’à la rivière Montmorency, qui ont été visités quelque 120 fois, surtout durant la période hivernale. Les données recueillies ont permis de dresser un bilan des liens thermiques, cryologiques (glace) et hydrologiques qui existent entre ces cours d’eau. Ces liens forment ce que l’on appelle le continuum hivernal du bassin versant. Chacun des chapitres de cette thèse représente un ouvrage indépendant qui inclut une introduction, une revue de littérature, une conclusion et une bibliographie. Les quatre premiers articles présentent des sujets qui complémentent les chapitres précédents alors que la description qualitative fait progressivement place à l’analyse quantitative. La somme de ces articles contribue à faire de cette thèse un ouvrage complet sur les processus de glace sur les cours d’eau à forte pente. Le dernier chapitre, ou article, présente un modèle conceptuel des différents couverts et processus de glace observables le long de tout type de chenal sous n’importe quelle intensité hivernale. / This thesis, through a collection of five publications, describes and quantifies steep (gravel bed) channel ice processes. Before this research project was undertaken the literature on the topic was largely incomplete and ice processes taking place in gravel bed channels, which represent common cold region fluvial settings, could only be partly explained. Ice features forming along steep channels and described in the thesis include anchor ice accumulations, ice weirs, ice dams, icing fields, icing dikes, suspended ice covers, and spray ice shells. This thesis also approaches river ice breakup processes such as ice runs and ice jams. The findings presented in this work are the result of three winters of field observation and steep channels monitoring. Research sites were visited over 120 times, mostly during the winter period. Ice processes were not only described and monitored at a few sites but at the drainage system scale, from a small headwater channel down to the main river channel. The thermal, cryologic, and hydrological interactions between various steep channels of the Montmorency River watershed were analyzed. These links form what is referred to as the watershed continuum. Each chapter of this thesis is an independent publication that includes an introduction, a literature review, a conclusion, and a list of references. The first four articles present a topic that complements previous chapters. The sum of these chapters forms a comprehensive review of the ice processes taking place in steep channels as the qualitative description progressively evolves into a quantitative analysis. The last chapter (article) presents a global conceptual model on river ice types and processes taking place in any fluvial setting in any climate.

La croissance démographique récente au Nunavik a amené l'expansion de certains villages nordiques près de zones de relief propice au déclenchement d'avalanches de neige tant à l'hiver qu'au printemps. Dans l'optique de développer une méthode de prévision précoce des avalanches au Nunavik, la surveillance des versants en contexte périglaciaire est primordiale. Les objectifs principaux de cette recherche sont donc de caractériser les événements avalancheux survenus de 2017 à 2020 sur le versant sud-ouest de la vallée Tasiapik (Umiujaq, Nunavik) et d'identifier les conditions météorologiques favorables à leur déclenchement. Pour ce faire, nous avons utilisé des appareils photographiques automatisés qui affichent une valeur de température sur chaque image capturée. Les données de température extraites sur près de 39 500 photographies ont été comparées aux données de température de deux stations météorologiques à proximité. Les résultats ont démontré que les appareils photographiques sont précis pour la mesure de la température à la fin de l'automne et à l'hiver. Au printemps et en été, ils ont une grande propension à surestimer la température. Les erreurs de mesure de température des appareils photographiques ont été statistiquement liées à la couverture nuageuse et à la radiation solaire incidente moyenne journalière. Par ailleurs, les photographies ont permis de caractériser 130 dépôts avalancheux. Deux principaux régimes d'avalanches ont été décrits : un régime hivernal, et un régime printanier. Des analyses de régression progressive ont permis d'établir que les conditions météorologiques propices au déclenchement des avalanches hivernales sont l'augmentation de la température minimale quotidienne et les chutes de neige ≥ à 10 cm à court terme (2 à 4 jours). Au printemps, ces conditions consistent en l'accumulation de degrés-jours de fonte, l'augmentation de la température minimale quotidienne, et la hauteur du couvert nival. Deux modèles de régression logistique ont été testés. Ensemble, ces modèles ont maintenu un taux de bonne classification global de 70.21% et ont correctement identifié 45 des 79 journées avalancheuses observées dans la vallée Tasiapik de 2017 à 2020. / Recent population growth in Nunavik has led to the expansion of northern villages some of which are located near mountainous areas prone to snow avalanches releases in winter and in spring. To develop an early avalanche forecasting method in Nunavik, monitoring of slopes in a periglacial context is essential. The main objectives of this research were to characterize avalanche events that occurred from 2017 to 2020 on the southwestern slope of the Tasiapik Valley (Umiujaq, Nunavik) and to identify the meteorological conditions that were favorable to their triggering. To do so, we used automated time-lapse cameras which displayed a temperature value on each captured image. Temperature data extracted from nearly 39,500 photographs were compared to temperature data from two nearby weather stations. The results showed that the cameras were accurate in measuring temperature in the late fall and winter. In spring and summer, they have a high propensity to overestimate temperature. The temperature measurement errors of the cameras were statistically related to the observable cloud coverage and the daily average incident solar radiation. In addition, the photographs were used to characterize 130 snow avalanche deposits. Two main avalanche regimes were described: winter and spring. Stepwise regression analyses established that the meteorological conditions conducive to winter snow avalanche initiation are the increasing daily minimum air temperature and short term (2-4 days) snowfall episodes ≥ 10 cm. In spring, these conditions are the accumulation of melting degree days, the increase in daily minimum air temperature, and snow cover height. Two logistic regression models were tested. Together, the models maintained a global correct classification rate of 70.21% correctly identifying 45 of 79 avalanche days observed within Tasiapik Valley from 2017 to 2020.

La respiration du sol (Rs) en milieu forestier est influencée par les conditions hydroclimatiques du sol ainsi que par la composition en espèces et la qualité de la litière. La hausse des températures et les changements dans les patrons de précipitation, attendus en contexte de changements climatiques, ont donc un fort potentiel de modifier Rs et ainsi, la concentration de CO2 atmosphérique. En ce sens, ce projet de recherche visait tout d’abord à étudier l’effet d’un réchauffement et d’un assèchement artificiels des sols sur Rs, puis à évaluer si la réponse des sols au chauffage allait varier selon le type de couvert forestier. Nous avons échantillonné le flux gazeux des sols sur deux ans dans trois peuplements d'une forêt tempérée décidue à sa limite nordique. Les résultats ont démontré une faible accentuation de Rs en réponse au chauffage, mais seulement jusqu’à un seuil de température du sol d’environ 15°C à partir duquel l’effet positif du chauffage s’estompe, voire s’inverse. Cependant, cette tendance n’était pas systématique puisque les trois peuplements ont démontré une sensibilité différente au chauffage, l’érablière à hêtre étant beaucoup plus sensible que la forêt mixte et l’érablière à bouleau. Ce qui était toutefois commun aux trois peuplements, c’est l’affaiblissement de l’influence de la température sur Rs passé le seuil de 15°C. Outre la température du sol, l’intégration d’autres variables, comme la teneur en eau, l’activité ionique en N, P et Ca de la solution de sol et la présence de conifères au modèle cherchant à expliquer la variabilité de Rs, n’a pas augmenté la puissance explicative du modèle, et ce pour aucun des traitements ou des peuplements. Les résultats de cette étude suggèrent néanmoins un élément intéressant, soit le plafonnement potentiel de Rs malgré la hausse des températures. Ceci apporte un questionnement quant à la magnitude de la rétroaction positive entre le cycle du carbone terrestre et le système climatique. / Forest soil respiration (Rs) is driven by soil hydroclimatic conditions as well as species composition and litter quality. Rising temperatures and changes in precipitation patterns, expected in the context of climate change, therefore have a strong potential to modify Rs and thus the concentration of atmospheric CO2. This research aimed to study the effect of artificial heating and drying of soils on Rs, and to assess whether the response of soils to heating would vary according to the type of forest cover. We sampled soil gas flux over two years in three stands of a temperate deciduous forest at its northern edge. The results demonstrated a weak accentuation of Rs in response to heating, but only up to a soil temperature threshold of about 15°C, where the positive heating effect decreases or is even reversed. However, this trend was not systematic since the three stands demonstrated a different sensitivity to heating, the maple-beech forest being much more sensitive than the mixed forest and the maple-birch forest. Yet, what was common to the three stands was the decrease of the influence of temperature on Rs above the threshold of 15°C. In addition to soil temperature, the integration of other variables, such as water content, ionic activity in N, P and Ca of the soil solution and the presence of conifers in the model seeking to explain the variability of Rs, did not increase the explanatory power of the model for any of the treatments or stands. The results of this study highlight a potential capping of Rs despite the increase in temperatures. They bring questions regarding the magnitude of the positive feedback between the terrestrial carbon cycle and the climate system.

Les écosystèmes aquatiques sont de plus en plus reconnus pour leur rôle dans les cycles biogéochimiques locaux et globaux en raison de leur grand potentiel réactif. Les tourbières sont quant à elles des environnements relativement stables, mais qui participent aussi largement aux cycles biogéochimiques car elles accumulent de grandes quantités de carbone (C) et d’autres éléments dans leurs sols. À l’intérieur de certaines tourbières tempérées, de petites étendues d’eau se développent par la décomposition de la matière organique qui compose leur matrice, mais de larges pans de leur fonctionnement biogéochimique sont ignorés. La structure et la géographie de ces mares de tourbières, particulièrement l’interface eau-tourbe qui les caractérise, pourraient d’ailleurs en faire des écosystèmes d’un dynamisme peu commun. Le but de cette thèse est de déterminer en quoi la géographie particulière des mares de tourbières, à commencer par celle des régions tempérées, influence leurs patrons et processus biogéochimiques. Les résultats démontrent que les mares de tourbières sont des écosystèmes sans commune mesure parmi les milieux aquatiques. Les mares sont biogéochimiquement distinctes des autres milieux lentiques en raison de la structure du paysage qui les entoure, faisant d’elles des environnements où les concentrations en C organique dissous (DOC) sont plusieurs fois plus élevées et où le pH est 100 fois plus acide que dans les lacs. La biogéochimie des mares est par contre variable dans le temps et l’espace en fonction de paramètres morphologiques et climatiques. Par exemple, les concentrations en DOC sont plus élevées dans les mares les moins profondes et sous un climat moins humide, mais ces concentrations fluctuent rapidement au cours des saisons en fonction de variations météorologiques, faisant d’elles des sentinelles climatiques. Les patrons biogéochimiques observés dans les mares de tourbières semblent tirer leur origine de leur structure plutôt que d’une influence allochtone à plus grande échelle comme c’est le cas pour la plupart des lacs. Une expérience menée dans une tourbière ombrotrophe du sud du Québec montre ainsi que les processus de décomposition de la matière organique qui caractérisent les mares de tourbières varient spatialement en fonction de la profondeur des mares et de la composition chimique du matériel à décomposer. Au final, les résultats de la thèse démontrent que les patrons et processus biogéochimiques observés dans les mares de tourbières tempérées sont effectivement dirigés par leur géographie particulière, où les mécanismes fonctionnels sont en partie dictés par l’interface eau-tourbe. / Aquatic ecosystems are increasingly recognized for their contribution to local and global biogeochemical cycles because of their high reactivity potential. Peatlands are relatively stable ecosystems but that nonetheless play a large role in biogeochemical cycles because they sequester large amounts of carbon (C) and other elements. Within temperate peatlands, waterbodies may develop by the decomposition of the organic matter that forms the soil but their biogeochemical functioning remain largely ignored. Their structure and their geography, especially the water-peat interface, may thus make peatland pools ecosystems that are more dynamic than other aquatic environments. The goal of this thesis is to determine how the geography of temperate peatland pools influences their biogeochemical patterns and processes. Results show that peatland pools are biogeochemically distinct from other aquatic environments because of the structure of the landscape in which they develop, with dissolved organic C (DOC) concentrations being severalfold higher and pH being 100-fold more acidic than lakes. The biogeochemistry of peatland pools is, however, variable in both space and time in relation to morphological and climatic parameters. For example, DOC concentrations are higher in shallower pools and in arid climates, but these concentrations rapidly vary within and across seasons in relation to changes in temperatures and precipitation, highlighting their potential to act as climate sentinel. The observed biogeochemical patterns in peatland pools originate from their internal structure rather than from a broader-scale allochthonous influence like lakes. The influence of pool internal structure was revealed in an experiment we conducted in an ombrotrophic peatland of southern Québec that showed that organic matter decomposition processes vary spatially in relation to pool depth and to the chemical composition of the organic matter. Overall, the results demonstrate that temperate peatland pool biogeochemical patterns and processes are indeed controlled by their unique geography, and where functional mechanisms are partly driven by the water-peat interface.

Ce mémoire a pour objectif de mieux comprendre la tomodensitométrie par rayons-x appliquée à la géocryologie. La majorité des études ayant pour but d’analyser le pergélisol en utilisant la tomodensitométrie sont qualitative. De ce fait, il est principalement question de décrire les cryostructures et la disposition géométrique de la glace dans le pergélisol. Il existe peu d’études quantitatives où le volume de glace est estimé avec la tomodensitométrie. De ce fait les méthodologies quantitatives sont peu développées et leur degré de confiance est mal connu. Des échantillons de pergélisol ont été scannés puis analysés avec le logiciel de visualisation Dragonfly©. Une méthode d’analyse quantitative a été développée et combinée à des mesures en laboratoire afin de déterminer l’erreur entre la proportion en glace estimée sur les Ct-Scans et celle mesurée sur l’échantillon physique. Ensuite, une équation pour essayer de corriger cette erreur a été appliquée. Celle-ci a été déterminée à partir de comparaisons des estimations des volumes de glace sur les Ct-Scans et leurs valeurs mesurées en laboratoire. Ces comparaisons ont également permis d’estimer la quantité de matière organique présente dans un échantillon. Les cryostructures du pergélisol ont été modélisées en 3D. Cela a permis de bonifier la classification Nord-Américaine établie par Murton et French en 1994 et de quantifier les volumes respectifs de glace et de sédiments. / This thesis aims to better understand x-ray computed tomography in geosciences and more particularly its use with frozen ground science. Most studies in permafrost science using x-ray computed tomography were qualitative. Therefore, they mainly describe the permafrost cryostructures and the geometric arrangement of the ice in permafrost. There were few quantitative studies where the volumetric ice content of permafrost was estimated with Ct-Scans. As a result, quantitative methodologies are poorly developed, and their degree of confidence is also poorly assessed. Samples from different locations in the Canadian Arctic were scanned and analyzed using Dragonfly©, a visualization software. A quantitative analysis method has been developed and combined with laboratory measurements to calculate the error between the proportion of ice estimated on the Ct-Scans and the one measured on the physical sample. A correction method was developed and applied to the Ct-scans dataset to reduce the error in volumetric ice content estimations. This equation also allows to give an estimation of the organic matter proportion inside a sample. The permafrost cryostructures were modeled in 3D. This improved the visualization of the cryostructures of the North American classification established by Murton and French in 1994, and it allowed to quantify their volumetric ice and sediment contents.

Les vagues de bateau ajoutent une pression supplémentaire sur les berges de rivières et doivent être considérées dans les modèles de prédiction des taux de recul des berges. L’objectif de cette étude est d’examiner le rôle des vagues de bateau sur l’écoulement et le transport en suspension le long des berges en milieu fluvial. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons un transect perpendiculaire à la berge de quatre courantomètres électromagnétiques (ECMs) mesurant deux dimensions de l’écoulement et deux turbidimètres (OBSs) placés dos à dos, orientés vers la berge et le large pour mesurer les conditions moyennes et turbulentes de l’écoulement longitudinal et vertical ainsi que les flux de sédiments en suspension provoqués par les vagues. Une chaloupe à moteur de 16 pieds, équipée d’un moteur 40 hp, a été utilisée afin de générer des vagues. Nous avons mesuré l’effet de trois distances à partir de la berge (5, 10, 15 m) et trois vitesses de bateau (5, 15 et 25 km/h) et cinq répliques de chaque combinaison de distance et de vitesse ont été réalisées, totalisant 45 passages. Nous avons caractérisé la variabilité des conditions d’écoulement, de vagues et de transport de sédiments et nous avons réalisé des analyses spectrales afin de séparer les portions oscillatoire et turbulente de l’écoulement généré par les vagues de bateau. L’effet de la distance et de la vitesse du bateau sur le transport de sédiments est non-linéaire et la réponse sédimentaire induite par les passages de bateau montre une variabilité importante entre les répliques et les deux sondes OBS, ce qui suggère un changement morphologique induit par les vagues de bateau. Les corrélations entre les variables d’écoulement et de transport montrent l’importance des relations entre le cisaillement et la puissance de la portion turbulente de l’écoulement avec le transport de sédiments. Cette étude a permis de quantifier les relations entre la dynamique des vagues et les flux de concentrations de sédiments en suspension, ce qui représente une contribution importante au développement de mesures de mitigation dans les environnements fluviaux où les berges sont fragilisées par le trafic plaisancier. / Boat induced waves generate additional stress on banks and should be included in bank erosion predictive models. The objective of this study is to investigate the role of boat generated waves on near bank flow in a fluvial environment. We used a longitudinal array of four bi-directional eletromagnetic current meters (ECMs) perpendicular to the bank and two optical backcattering sensors (OBSs) set back to back, one facing the river bank (inner looking) and the other towards the river (outer looking) to measure mean and turbulent properties of the horizontal and vertical flow velocities and suspended sediment fluxes generated by the waves. The waves were generated using a 16 ft long boat equipped with a 40hp motor. The effect of three different distances between the bank and sailing line (5, 10, 15 m) and of three different speeds of the vessel (5, 15 and 25 km/h) was evaluated. Five replicates of each combination of distance and speed were realized for a total of 45 passages. Variability of flows conditions, wave characteristics and turbidity properties were characterized and spectral analyses were performed to separate oscillatory and turbulent flow induced by boat generated waves. An important variability in suspended sediment response to the passages of boat wave is observed between replications and the effect of speed and distance of sailing line is nonlinear. It was often unbalanced between the inner and outer looking OBS suggesting that the bank changed its morphology. Cross-correlation between hydraulic and turbidity variables show the significance of the relation between shear stress and suspended sediment transport variables. This study provides quantitative relations between wave dynamics and plumes of suspended sediment that could help to develop mitigation measures in fluvial environments where vessel traffic represents a major issue for bank erosion and retreat.

Les régions nordiques à pergélisol seront largement affectées par l'augmentation prévue des températures. Un nombre croissant d’infrastructures qui étaient autrefois construites avec confiance sur des sols gelés en permanence commencent déjà à montrer des signes de détérioration. Les processus engendrés par la dégradation du pergélisol peuvent causer des dommages importants aux infrastructures et entrainer des coûts élevés de réparation. En conséquence, le contexte climatique actuel commande que la planification des projets dans les régions nordiques s’effectue en tenant compte des impacts potentiels de la dégradation du pergélisol. Ce mémoire porte sur l’utilisation de systèmes d’information géographique (SIG) appliqués à l’évaluation du potentiel d’aménagement des territoires situés en milieu de pergélisol. En utilisant une approche SIG, l’objectif est d’élaborer une méthodologie permettant de produire des cartes d'évaluation des risques afin d’aider les collectivités nordiques à mieux planifier leur environnement bâti. Une analyse multi-échelle du paysage est nécessaire et doit inclure l'étude des dépôts de surface, la topographie, ainsi que les conditions du pergélisol, la végétation et les conditions de drainage. La complexité de l'ensemble des interactions qui façonnent le paysage est telle qu'il est pratiquement impossible de rendre compte de chacun d'eux ou de prévoir avec certitude la réponse du système suite à des perturbations. Ce mémoire présente aussi certaines limites liées à l’utilisation des SIG dans ce contexte spécifique et explore une méthode innovatrice permettant de quantifier l'incertitude dans les cartes d'évaluation des risques. / Northern regions underlain by permafrost will largely be affected by the projected increase in air temperature. A growing number of structures that were once built with great confidence on perennially frozen soils are already starting to show signs of deterioration. Processes caused by permafrost degradation can cause significant damages to infrastructure and require high costs of repair. The current climatic context therefore commands that the implementation of projects in permafrost regions follows a well-thought planning in order to account for the potential impacts of permafrost degradation. This thesis focuses on the use of geographic information systems (GIS) applied to the identification of the development potential of communities located in permafrost regions. Using a GIS approach, the goal is to develop a methodology to produce risk-assessment maps to help northern communities better plan their built environment. A multi-scale analysis of the landscape is necessary and should include the investigation of surficial deposits, topography, as well as permafrost, vegetation and drainage conditions. The complexity of all the interactions that shape the landscape is such that it is virtually impossible to account for all of them or to predict with certainty the response of the system following disturbances. This research also presents some of the limitations to the use of GIS in this specific context and explores an innovative method for quantifying uncertainty in risk-assessment maps.