Thèses (M.Sc.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1998. / Titre de l'écran-titre (visionné le 18 juillet 2006). Publié aussi en version papier.

Thèse (Ph.D.) -- Université Laval, 2008. / Les chapitres 2 à 4 sont des articles scientifiques rédigés par l'auteur en anglais, accompagnés d'une introduction générale et d'une conclusion. Bibliogr.: f. [127]-135. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Sc.Géogr.) -- Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. 100-108. Publié aussi en version électronique.

Thèse (M.Sc.Géogr.)--Université Laval, 2005. / Titre de l'écran-titre (visionné le 23 février 2006). Bibliogr.

Le réchauffement accéléré de l'Arctique mène à une débâcle de plus en plus hâtive de la banquise. La morue arctique (Boreogadus saida), une espèce pivot du réseau trophique, semble déjà répondre au rallongement de la période libre de glaces. Particulièrement, la plus forte productivité de l'écosystème, l'abondance de proies et les températures optimales associées à une débâcle hâtive contribueraient au recrutement automnal des jeunes morues en accélérant leur croissance larvaire et juvénile. Par la dissection de plus de 300 contenus stomacaux de larves et juvéniles de morues arctiques d'une variété d'écorégions, j'ai testé : 1) si les morues arctiques profitent de ces conditions optimales afin d'augmenter leur succès alimentaire lors d'une débâcle hâtive; 2) si les morues arctiques d'âge-0 ont un meilleur succès alimentaire lorsqu'elles consomment des proies plus nutritives d'origine typiquement Arctique. Le succès alimentaire augmentait rapidement avec la taille des poissons et l'abondance de proies. Toutefois, bien que la température était peu prédictive du succès alimentaire, des températures au-delà du seuil de tolérance des jeunes morues arctiques limitaient de manière importante les capacités de capture de proies, et ce même lors d'une abondance élevée de proies. Également, la nature des proies ingérées demeure un facteur déterminant du succès alimentaire. L'ingestion de proies très nutritives, tel que Calanus glacialis, favorisait particulièrement le succès alimentaire alors que la consommation de cyclopoïdes aux dépens d'autres espèces plus nutritives avait un effet délétère sur le succès alimentaire, semant un doute sur l'adaptabilité future de la morue arctique aux changements en cours. Bien que les changements de couverts de glace n'aient pour l'instant pas un impact direct sur le succès alimentaire des jeunes poissons, ils impacteront éventuellement la phénologie des espèces clés de zooplancton et leur présence simultanée avec les morues arctiques d'âge-0. Le succès alimentaire de la morue arctique dans ses stades les plus vulnérables pourrait donc être compromis à moyen terme. / Due to climate change, the whole Arctic Ocean could become free of ice during the summer as early as the 2030s. For now, sea-ice breakup already happens earlier almost year after year. Arctic cod (Boreogadus saida), a pivotal species of Arctic marine trophic networks, must cope with this lengthening of the ice-free season. Earlier studies suggest that age-0 Arctic cod recruitment is enhanced with an early sea-ice breakup. This could be explained by warmer temperatures promoting survival and by higherzooplankton biomass in areas of early sea-ice breakup. For this study, over 300 guts of larval and juvenile polar cod from various ecoregions of the Arctic were analyzed. I tested the hypothesis that young polar cods benefit from the lengthening of the ice-free season, optimal temperatures and higher abundance of nutritious preys by increasing their feeding success in those areas, which could in turn results in higher recruitment. Despite high inter-individual variability, feeding success increased with fish length and zooplankton abundance. Even though time since ice breakup and temperatures were not good predictors of feeding success, extreme temperatures as high as 10 °C led to a state close to starvation. Additionally, feeding success increased in fish feeding extensively on Calanus spp., while the consumption of cyclopoids such as Oithona similis decreased feeding success, raising concerns on the future adaptability of Arctic cod. Changes in sea ice regimes may not have a direct impact on age-0 Arctic cod feeding success on a short timescale, but they will eventually have important impacts on the phenology of key zooplankton species and their co-occurrence with age-0 Arctic cod. The feeding success of the vulnerable early life stages of Arctic cod could thus be jeopardized.

Malgré la connaissance limitée qu’on a du frasil, il est probablement le plus important acteur pour les cours d’eau en régions froides dans lesquels la glace se forme. Le frasil est aussi une menace réelle et importante pour les structures hydrauliques et donc, un problème pour les ingénieurs. Des mesures quantitatives du frasil sont vitales afin de mieux comprendre sa dynamique, mais très peu d’études ont porté sur le frasil dans son milieu naturel étant données toutes les difficultés techniques qui y sont associées. Celles-ci sont principalement liées à la grande difficulté de détecter le frasil en rivière. Les cristaux sont très sensibles, ils ne peuvent être maniés et ils évoluent et se transforment rapidement. Cette thèse s’adresse au grand besoin en données de terrain et aussi à améliorer la connaissance sur les interactions entre le frasil, l’hydraulique, l’atmosphère et les autres types de glaces rencontrés en rivière. De nombreuses campagnes d’instrumentation en terrain ont été entreprises et une méthodologie permettant la détection et la mesure du frasil en rivière a été développée. Il a été démontré que les profileurs acoustiques sont très efficaces pour ce faire. À partir de données récoltées durant trois hivers, la quantification du frasil est tentée par trois méthodologies différentes et indépendantes. La théorie de Rouse est appliquée aux profils verticaux de retours acoustiques afin d’estimer un diamètre dominant pour la population de particules de glace détectées. Les théories d’inversion de fréquences, appliquées à plus d’une fréquence à la fois, sont utilisées afin d’estimer les dimensions dominantes et des concentrations de frasil en suspension. Finalement, des approches théoriques et des modèles de transfert de chaleur sont utilisés pour prédire la formation et la croissance du frasil. Les résultats de ces modèles sont comparés avec les mesures. Cette thèse montre que les mesures acoustiques sont très prometteuses afin d’obtenir l’information de base sur le frasil qui n’était pas disponible jusqu’à maintenant. De telles données sont aussi très utiles afin de mieux comprendre comment le frasil est produit en rivière, comment il évolue et comment il interagit avec l’eau et l’atmosphère. / Despite knowing extremely little about it, frazil ice is the most important building block for ice infested waters from which, and upon which, most ice is subsequently formed. Frazil ice is a major engineering threat to river and marine infrastructure. Quantitative measurements of frazil ice are vital to clarifying its dynamics, but very few studies have assessed frazil ice in natural water bodies. This is mainly because detection of frazil ice in the field is very difficult. The ice is sensitive to handling and evolves and transforms rapidly. This thesis addresses the need for field data and also seeks to understand more about frazil ice interactions with hydraulics, the atmosphere and other ice types encountered in rivers. An efficient methodology to detect frazil ice in rivers was developed and tested through multiple field instrumentation campaigns. From field data that were obtained during three winters, quantification of frazil ice was attempted by different independent methodologies. The Rouse theory was applied to vertical acoustic backscatter measurements in order to estimate frazil ice particles’ dominant size. Multi-frequency inversion methods were used and applied to estimate both dominant size and concentration of suspended frazil ice. Theoretical approaches that use heat flux modelling were used to predict frazil ice growth rates. Those modelled values were compared with acoustic measurements. The thesis shows that acoustic measurements are very promising to get basic information about frazil that has not been available until now. Such data are also very useful to gain a better understanding of how frazil ice is produced, under which conditions it evolves and how it interacts with the water and the atmosphere.

Alors que pour la plupart des rivières, la rupture du couvert de glace est un processus d'amont en aval, la rupture en estuaire est un processus de l'aval vers l'amont. Les ondes de marée qui remontent l'embouchure des estuaires parviennent à fracturer la couverture de glace en morceaux lors de la marée montante et transportent ensuite ces morceaux hors de l'estuaire lors de la marée descendante. Les conditions hydrométéorologiques affectant ce processus restent peu documentées et mal comprises. À cette fin, une campagne de terrain de deux ans a été mise sur pied pour surveiller la débâcle printanière dans quatre estuaires du Québec. Les résultats ont montré que l'affaiblissement thermique de la glace est un précurseur nécessaire à la débâcle de celle-ci. D'autres facteurs comme le marnage et le débit sont aussi des paramètres importants pour prédire le type de débâcle qui sera observé. En parallèle, une simulation numérique (Hec-Ras) d'une section de la rivière Saint-Anne, au Québec, a été menée en y ajoutant un barrage à seuil gonflable (à Chute-Panet). Celui-ci permettrait de reproduire artificiellement les cycles de marées. Les critères hydrauliques montrent que l'ajout de ce type de barrage permettrait de faciliter la destruction et l'évacuation du couvert de glace avant que celui-ci ne provoque des inondations dans la ville de Saint-Raymond. Des critères empiriques et l'application de la théorie des poutres reposant sur des fondations élastiques ont aussi été utilisés pour affiner notre compréhension du phénomène de rupture en rivière gelée. Finalement, le troisième volet de cette étude porte sur la réalisation d'une maquette de rivière en laboratoire d'hydraulique. Son utilisation vise à combler les limites des modèles numériques et à étudier différents scénarios d'opération du barrage. / Whereas in most rivers ice cover breakup is an upstream-to-downstream process, ice cover breakup in estuaries is a downstream-to-upstream process. Tidal waves coming up the mouth of estuaries succeed in fracturing the cover in pieces on the flood tide and subsequently transport those pieces out of the estuary on the ebb tide. The hydrometeorological conditions affecting this process remains poorly documented and understood. For this purpose, a two-year field campaign has been developed to monitoring spring break-up on four estuaries that are tributaries to the Saint-Laurence River in Quebec. The results showed that thermal weakening of the ice is a necessary precursor to ice breakup. Other factors such as tidal range and discharge are also important parameters to predict the type of breakup that will be observed. In parallel, a numerical simulation (Hec-Ras) of a section of the Saint-Anne River, in Quebec, was conducted with the addition of an inflatable weir dam (at Chute-Panet). This construction would artificially reproduce the tidal cycles. Hydraulic criteria showed that the addition of this type of dam would facilitate the destruction and evacuation of the ice cover before it caused flooding in the town of Saint-Raymond. Empirical criteria and the application of the theory of beams on elastic foundations were also used to refine our understanding of the frozen river failure phenomenon. Finally, the third part of this study deals with the realization of a river model in a hydraulic laboratory. Its use aims at filling the limits of the numerical models and at studying various scenarios of operation of the dam.

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La glace de rive est un des nombreux processus de formation des couverts de glace sur les rivières. Cependant peu d’articles dans la littérature traitent de ce sujet malgré que la formation de la glace de rive peut-être un précurseur de l’apparition d’embâcles qui peuvent entrainer des inondations. Ce mémoire de Maitrise porte sur l’étude de la glace de rive le long de la portion du fleuve Saint-Laurent allant de Montréal à Québec. Du fait qu’il y a de la navigation commerciale toute l’année, le fleuve reste ouvert (libre d’un couvert de glace entier) artificiellement pendant tout l’hiver. Ce trafic limite aussi l’extension de la glace de rive. Cette étude fournit des informations clés sur la formation et la désagrégation de la glace de rive. À partir des données historiques d’Environnement Canada (cartes des glaces de 2004 à 2009), la répartition superficielle de la glace de rive est analysée pour les périodes de formation, de stabilité et de rupture de la glace. Les informations historiques sur les couvertures de glace sont collectées afin de déterminer les paramètres qui influencent la formation et les limites spatiales de ce type de glace. Les taux de croissance et de décomposition de la glace de rive sont aussi abordés. Il est montré que l’évolution de la structure propre à la couverture de la glace de rive se fait en trois étapes. Une période de formation rapide (début hiver), suivie d’une période stable (milieu d’hiver) et enfin une période de rupture (pendant le moi de mars). Pendant la période stable, la glace de rive se rompt partiellement parfois lorsque la température de l’air monte au dessus de zéro °C et surtout lorsque le redoux est accompagné de pluie. Il a été trouvé aussi que les limites spatiales maximales des glaces de rive sont très semblables sur 5 hivers de la période d’étude. À partir de l’analyse des cartes des glaces, un certain nombre de relations empiriques sont proposées. Ces relations caractérisent la formation et la désagrégation des glaces de rive. Le long de la direction de l’écoulement la glace de rive est formée facilement en présence d’obstacles, et particulièrement lorsqu’elles sont à l’extrémité aval. Parmi ces obstacles on peut citer les méandres de rivière, les bancs, les estacades, les iles artificielles, les piliers de ponts. Ainsi, les obstacles influencent la vitesse d’écoulement qui est un paramètre important dans la formation de la glace et peut aussi effectuer un apport d’objets sur lesquels la glace peut s’attacher et initier son accroissement. En moyenne la glace de rive atteint 20% de sa couverture maximale lorsque son le nombre de degrés jours accumulés (DJA) atteint 124 °C-j. Ceci est suivi d’une période d’accroissement rapide qui prend fin lorsque la couverture de glace atteint 80% de son maximum qui correspond à un DJA de 247 °C-j. La couverture de glace de rive atteint son maximum lorsque le DJA atteint 551 °C-j; ce qui correspond normalement à la période de fin janvier. La période d’hiver est caractérisée par une couverture de glace stable (supérieure à 90% de son maximum) en amont de Trois-Rivières, sauf pendant les périodes de dégel mi hivernales. À l’aval de Trois-Rivières, il n’y a pas de période stable, vu que la désagrégation commence très tôt après que la glace ait cru à son étendu maximal. La rupture est un processus graduel qui normalement commence vers le 15 février en aval de Trois-Rivières et vers le premier mars en amont. La grande majorité de la glace disparait généralement avant le 31 mars. Par ailleurs, la vitesse d’écoulement de la rivière, ainsi que sa profondeur et son nombre de Froude le long des limites de la glace de rive sont évalués. Ceci dans la condition où la glace de rive a atteint sa répartition superficielle maximale. La vitesse est presque toujours inférieure à 1 m/s, le nombre de Froude maximal est normalement de 0,1 au dans le Lac St Pierre et de 0,2 sur le tronçon Montréal-Sorel. La profondeur de la rivière à la limite de la glace peut varier largement. À partir d’une modélisation numérique, il a été calculé que la glace de rive cause une augmentation de la vitesse de 0,1 m/s dans le chenal maritime du Lac St Pierre et du niveau d’eau de 14 cm dans le tronçon Montréal-Sorel. / Border ice is one of many ice freeze-up processes, but it is discussed only to a limited extent in the literature. Border ice formation can be a precursor for ice jam formation that may restrict navigation and lead to flooding. This master’s thesis is mainly devoted to the research on the border ice on the Saint Lawrence River from Montréal to Québec City. This reach stays artificially open all winter because commercial ships are continuously preventing a full ice cover to form. The traffic also limits the extent of border ice. This study provides key information on ice formation and decay. Through analysis of Environment Canada’s historical data (ice charts from 2004 to 2009), the areal coverage of border ice is analyzed during freeze-up, winter and breakup periods. The historical information of ice coverage is collected in order to find out the factors which influence its formation and its spatial limits. Border ice growth and decay rates are also discussed. The thesis shows that border ice coverage has three stages including the rapid growth period at the beginning of the winter, the relatively stable period in the mid-winter and the breakup period as March progresses. During the mid-winter period, the border ice coverage sometimes drops sharply if the air temperature rises above 0 °C and/or if there is some rain. It was also found that the maximum border ice spatial limits are quite similar over the five winter seasons. Based on the analysis of the ice charts, a number of empirical laws regarding the formation and decay of border ice are proposed. Along the river flowing direction, the border ice is formed easily when there are obstacles particularly at the downstream end. The obstacles could include river bends, ice booms, shoals, artificial islands, bridge piers and so on. Thus, the obstacle influences the flow velocity, which is an important factor for ice formation and also provides an object against which the ice can become fast and initiate its formation. On average, border ice reaches 20% of its maximum coverage when the accumulated freezing degree days (AFDD) reaches 124 °C-D. This is followed by a rapid growth period that ends when the ice cover reaches about 80% of its maximum cover corresponding to AFDD equal to 247 °C-D. Border ice coverage usually reaches the maximum value when the average AFDD is 551 °C-D corresponding to the end of January. The winter period is characterised by a stable ice cover (> 90% of max) upstream of Trois-Rivières except in the event of a mid-winter thaw. Downstream of Trois-Rivières there is no stable period as the decay begins very soon after the ice reaches its maximum value. Breakup is a gradual process that normally begins on about Feb. 15th downstream of Trois- Rivières and about March 1st upstream. Most ice has normally gone by March 31st. Moreover, the river flow velocity, river depth and Froude number along the limits of border ice once it reaches its maximal areal coverage are evaluated and analyzed. The flow velocity is almost always less than 1.0 m/s; the maximum Froude number is normally 0.1 at Lake Saint-Pierre and 0.2 in the Montréal to Sorel reach; river depth at the ice edge can vary widely. Through numerical modelling, it was found that border ice increased the current velocity by 0.1 m/s in the Lake Saint-Pierre reach and raised water levels by 14 cm in the Montréal to Sorel reach.

Réunissant une série de trois articles scientifiques, ce mémoire offre une description et une quantification des processus dynamiques de glace dans les cours d’eau à forte pente. Menée sur trois cours d’eau du bassin versant de la rivière Montmorency (à proximité de Québec, QC, Canada), cette recherche démontre grâce à l’analyse par CAT scan que la glace de fond et les barrages de glace se développent principalement par croissance in-situ des cristaux de frasil-fixé. La porosité des structures de frasil-fixé varie entre 23% et 52% alors que celle de des structures de glace colonnaire, uniquement retrouvées dans les barrages de glace, varie entre 0% et 1,5%. De plus, les taux de croissance et de fonte des barrages de glace varient de façon importante autour d’une moyenne d’environ 1 cm/h. Le développement complet d’un barrage de glace a été simulé avec succès à l’aide d’un modèle physique comportant plusieurs degrés de liberté. / Uniting three scientific papers, this thesis offers a description and a quantification of dynamic ice processes taking place in steep channels. This research was led on three channels located in the Montmorency River watershed near Quebec City, Canada. CAT scan analyses showed that the development of anchor ice and ice dams is mainly caused by in-situ growth of fixed-frazil ice crystals. Porosity of fixed-frazil ice structures ranges between 23% and 52% while porosity of columnar ice structures, only found in ice dams, ranges from 0% to 1.5%. Moreover, ice dam growth and decay rates greatly vary around the mean value of about 1 cm/h. The complete development of a single ice dam was successfully simulated using a physical model that demonstrated the large number of degrees of freedom inherent in the process.