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.

La rivière Chaudière, ce cours d'eau de la rive sud du Saint-Laurent à Québec, s'est vu être la source de multiples inondations dans l'histoire beauceronne. Une partie importante de ses colères est attribuable aux embâcles de glace et à l'inévitable débâcle qui les initie. La compréhension des causes de ces embâcles est nécessaire afin d'agir, pour le mieux, sur le phénomène d'embâcle et cette étude s'inscrit dans cette ligne de pensée. L'étude vise à décrire, caractériser et quantifier la dynamique spatio-temporelle de la débâcle et des embâcles de glace sur la rivière Chaudière par des observations de terrain au cours des hivers 2018-2019 et 2019-2020. Pendant ces hivers, des dizaines de caméras autonomes et de GPS-trackers ont été installés à des endroits stratégiques. Grâce à cette instrumentation, à l'emploi d'outils tiers (données hydrométriques; CEHQ et COBARIC, images satellites; Sentinel-HUB) et à sa présence sur le terrain, l'auteur a pu reconstruire en détail la chronologie spatio-temporelle des débâcles sur la rivière Chaudière. Les observations montrent que les débâcles printanières s'initient d'abord en Haute Chaudière, et ensuite en Moyenne et Basse Chaudière presque simultanément. La débâcle est d'abord complétée en Haute Chaudière, ensuite en Basse Chaudière et finalement vient la Moyenne Chaudière où des vestiges d'embâcles hivernaux ont retardé le départ des glaces entre Saint-Joseph et Beauceville. Dans le segment le plus amont, la Haute Chaudière, les glaces ont été mises en mouvement lorsque le débit a atteint entre 60 et 200 m³/s (station Saint-Georges) et à un indice de dégel entre 20 et 80 °C-J. Plus à l'aval, en Moyenne Chaudière, c'est entre 220 et 1000 m³/s (station Saint-Georges), lorsque l'indice de dégel se situait entre 110 et 180 °C-J, que la majorité des glaces se sont mises en mouvement. En Basse Chaudière, c'est plutôt entre 140 et 710 m³/s (station Saint-Georges), et lorsque l'indice de dégel variait autour de 125 °C-J, que les glaces ont été évacuées du cours d'eau. Lors de ces deux saisons d'observation seulement, 51 embâcles de glace ont été répertoriés, illustrant le caractère dynamique de la Chaudière. La forte majorité d'entre eux était contenue dans le segment de la Moyenne Chaudière, démontrant sa forte capacité pour la rétention des glaces. Les plus longs, et ceux ayant contribué à des inondations, se sont formés entre Beauceville et Saint-Georges, témoignant du risque élevé qui plane sur les riverains dans ce tronçon. Les îles, bifurcations du chenal et changements de pente représentent les styles géomorphologiques les plus susceptibles d'obstruer le passage des glaces. Les relâchements d'embâcles ont engendré des ondes d'eau voyageant à des célérités de l'ordre de 1.5 m/s à 7.0 m/s. Les plus élevées ont été estimées entre Beauceville et Saint-Georges. Plus en aval, dans la section des « eaux mortes » (Moyenne Chaudière), la plaine inondable amortit l'onde et tend à réduire sa vitesse de propagation. C'est dans cette section que les plus faibles valeurs ont été estimées. Les patrons spatio-temporels de la débâcle, les seuils hydrométéorologiques de mobilisations des glaces, les sites d'embâcles et les célérités d'ondes d'eau, tous identifiés dans ce mémoire, peuvent servir à la conception d'ouvrages du génie, ainsi que pour le développement d'un système d'alerte précoce. / The Chaudière River, located on the south shore of the Saint Lawrence River, Quebec, is well known for its frequent flooding events. An important part of those floods is caused by ice jams associated with the inevitable breakup that precedes them. In order to eventually alleviate the impacts of ice jam flooding events, knowledge must be acquired from observations of the breakup dynamics, which is the aim of this study. The goal of this study is to describe, characterize and quantify the spatiotemporal dynamics of the breakup events and ice jams along the Chaudière river. During the winters 2018-2019 and 2019-2020, tens of autonomous cameras and GPS-trackers were installed at strategic locations along the river. With this instrumentation, the use of third-party tools (hydrometric data; CEHQ and COBARIC, satellite images; Sentinel-HUB) along with his presence on the field, the author was able to reconstruct the detail of each breakup events. The resulting observations showed that spring breakups are initiated in upper reach of the river, the Haute Chaudière, and then after, almost simultaneously, in the Moyenne and Basse Chaudière segments. The breakup is usually first completed in the Haute Chaudière, then in Basse Chaudière, and lastly in Moyenne Chaudière where mid-winter ice jams have been seen to delay the ice clearing between Saint-Joseph and Beauceville. In the Haute Chaudière, ice movements began when the flow rate was between 60 and 200 m³/s (Saint-Georges station) and when the ice decay index was between 20 and 80 °C-J. In Moyenne Chaudière, it is when the discharge varied from 220 to 1000 m³/s (Saint-Georges station) and when the ice decay index was between 110 to 180 °C-J that the ice moved and eventually cleared. In Basse Chaudière, ice movements were observed between 140 m³/s and 710 m³/s (station Saint-Georges), and when the ice decay index was about 125 °C-J. During these two winter seasons, 51 ice jams were observed. The vast majority of them was found in the Moyenne Chaudière reach, demonstrating its strong capacity for ice retention. The longest jams, and those that contributed to flooding, were found between Beauceville and Saint-Georges, which translates a higher risk for the riparian residents along this reach. Islands, channel bifurcations and slope changes were the most susceptible geomorphological features to initiate ice jamming. Ice jam generated water waves ('Javes') that travelled at a celerity ranging from 1.5 m/s to 7.0 m/s. In the "eaux mortes" reach (Moyenne Chaudière), the floodplains dampened the waves and therefore reduced the velocities. The highest velocities were observed between Beauceville and Saint-Georges. Breakup patterns, hydrometeorological thresholds of ice mobilization, ice jam sites and javes celerity, all identified in this thesis, can serve as basis for engineering design, including the implementation of an early warning system.

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.

Ce mémoire offre une description des mesures d'affaiblissement préventif du couvert de glace qui ont été entreprises à Saint-Raymond de Portneuf, au Québec, au cours de cinq hivers consécutifs entre 2014 et 2019. La dynamique particulière de la rivière Sainte-Anne peut engendrer des accumulations massives de frasil au centre-ville de Saint-Raymond, pouvant mesurer plus de 4 mètres d'épaisseur par endroits et représenter plus de 120000 tonnes annuellement. Cela complique l'application et affecte l'efficacité de l'affaiblissement. L'objectif de ce projet est de déterminer les approches performantes et d'établir un protocole. Les rendements, selon la performance, la rentabilité et l'efficacité énergétique,des mesures d'atténuation mécaniques et thermiques ont été analysés selon le type de glace en présence .La progression des excavatrices amphibie (telles l'Amphibex et la pelle-araignée) est de deux à cinq fois plus lente dans une accumulation de frasil par rapport à un couvert flottant conventionnel. D'autres mesures, comme le forage d'un réseau de trous, le sciage du couvert, l'aéroglisseur et l'hélicoptère deviennent inefficaces en présence de frasil. Tout apport de chaleur est bénéfique une fois le couvert formé. Cependant, la forme de l'énergie injectée affecte la rentabilité de la mesure: contrairement à l'injection d'air chaud, l'injection de chaleur issue de la nappe phréatique est rentable et peut offrir un rendement appréciable si la charge calorifique est importante.Les différentes approches testées ont été comparées aux expériences réalisées sur d'autres rivières, afin de déterminer leurs limites d'application selon différents contextes de cours d'eau et de types glace. Sur un barrage de frasil ou un embâcle, la pelle-araignée munie d'un prototype de flotteurs offre la plus grande versatilité et une meilleure efficacité énergétique. Cette excavatrice a le potentiel d'excaver un chenal continu sur plus de six kilomètres de la rivière Sainte-Anne à Saint-Raymond en n'étant pas limitée par la présence de fosses, de hauts-fonds, d'un couvert consolidé ou flottant, d'une hauteur de dégagement contraignante sous les ponts ni de barrages. / This thesis describes preventive ice cover weakening measures that were undertaken in St.Raymond, QC, over five consecutive winters between 2014 and 2019. The specific dynamics of the St. Anne River can lead to massive accumulations of frazil in the downtown reach of St. Raymond, leading to an ice cover that can bemore than 4 metre-thick and formed by over 120,000 tons annually. This complicates the progression of the mitigation. The objective of this project is to identify the best ice weakening approaches and to establish a corresponding application protocol. The performance, cost-effectiveness and energy efficiency of mechanical and thermal mitigation measures were analyzed according to a variety of ice covers. The progression of amphibious excavators (such as Amphibex and spider excavator) is two to five times slower in thick frazil accumulations compared to that of a conventional floating ice cover. Other measures, such as drilling a network of holes, sawing the cover,or relying on a hovercraft or a helicopter to push and break the ice cover, become ineffective in the presence of frazil dam. Any heat input is beneficial once the cover is formed. However, the mean of energy injection affects the measure cost-efficiency: unlike hot air injection, ground water heat injection is cost-effective and can offer significant benefit if the heat load is high. Several different ice-weakening approaches were tested and compared, including experiments from other rivers,to determine their limits of application for different rivers and ice covers. On a frazil dam or ice jam, the spider excavator equipped with prototype floats offers the greatest versatility and energy efficiency. This excavator has the potential to dig a continuous open channel over more than six kilometre-long in the St. Anne River at St. Raymond without being limited by the presence of pools, shallows, consolidated or floating cover, a constraining clearance height under bridges,or dams

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.

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