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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Mesurer les poussées des glaces sur les barrages hydroélectriques nécessite la mesure des contraintes dans les couverts de glace (CdG). Ces derniers sont des couches de glace qui se forment en hiver sur des réservoirs d'eau des barrages dans des zones hivernales (exemple, Québec). Le CdG se dilate lors d'une hausse de température, et est déstabilisé par la variation du niveau d'eau (VNE) dans le réservoir. Si de plus, le CdG est en contact avec le mur du barrage, des forces naissent sur le mur. Pour mesurer ces forces, dans un cadre de sécurité des barrages, des panneaux capteur de pression sont placés sur le mur du barrage, et des jauges sont positionnées dans le CdG. Parmi les jauges figurent les jauges biaxiales (JB) de 12 pouces (JB12) ou 30.48 cm de hauteur, et celles de 4 pouces (JB4) ou 10.16cm de hauteur. La petite hauteur de la JB4 lui permet de mesurer les contraintes selon la profondeur à laquelle elle est placée. Vu sa forte rigidité, la JB4 attire les forces sur le plan horizontal et sur le plan vertical. Une théorie mathématique permet de traiter le problème d'attraction des forces à l'horizontale (Savin, 1961), mais le problème d'attraction des forces en trois dimensions (effets 3D du CdG) n'est pas résolu. Or, les effets 3D causeraient le fait que la JB4 surestime les mesures. L'objectif de ce mémoire est de quantifier les effets 3D et évaluer l'impact du fluage de la glace, sur les contraintes estimées par la JB4 et sur l'amplification des contraintes (AC) autour d'elle. Pour se faire, sont développés, à l'aide du logiciel ANSYS, deux modèles numériques basés sur la méthode des éléments finis. Le premier modèle, en 2D, permet de valider l'approche numérique et évaluer l'impact du fluage. Le modèle 3D, sert à quantifier les effets 3D. Glace et JB4 sont homogènes et isotropes dans tout le projet. Le modèle 2D de base s'est avéré robuste, car les champs de contrainte et de déplacement ont au plus 0.5 % d'écart par rapport à la théorie de Savin. À partir du modèle robuste, est développé un modèle 2D (véritable outil) pour étudier l'impact du fluage sur PAC autour de la JB4 et sur la mesure de la JB4. Les résultats qui en découlent sont indicatifs en raison de la limitation au fluage secondaire. Un modèle de fluage plus complet permettrait de valider l'impact du fluage secondaire. Cet impact s'est avéré plus important pour des contraintes plus élevées. Par exemple, pour un chargement uniaxial de 250kPa, la diminution horaire moyenne de la contrainte principale maximale est de 0.92kPa/h, contre 1.79kPa/h pour une charge de 500kPa. Les effets 3D ont été évalués (matériaux uniquement élastiques). L'AC en 3D est au maximum de 5% plus élevé que TAC en 2D. Cet impact maximal correspond aux épaisseurs du CdG supérieures à 30 cm. Mais, la force moyenne (suivant la hauteur) reçue par le capteur est difficile à évaluer. En effet, le champ de contrainte autour de la JB4 et dans la direction verticale est très complexe et doit être profondément examiné. Cette complexité est due à la brusque variation de l'épaisseur du capteur le long de la hauteur. Ainsi, le modèle 3D doit faire l'objet d'une validation.

Les barrages hydro-électriques construits dans les climats froids subissent des poussées des glaces importantes. Ces charges doivent être prises en compte pour l’évaluation de la sécurité de ces structures. Bien que les barrages aient été construits et exploités dans différents pays pendant de nombreuses années, il n’y a pas de consensus sur les critères de charge de glace. Les valeurs de conception varient considérablement – plus de 3 fois d’une autorité internationale à l’autre. La nature complexe des poussées des glaces implique de nombreux facteurs et incertitudes qui empêchent encore la pleine compréhension des processus en jeu, malgré les avancées récentes. Cette recherche doctorale vise à donner une nouvelle approche aux calculs des poussées des glaces sur les barrages et, ainsi, faire progresser l’objectif d’harmonisation des critères de conception pour les poussées des glaces. L’approche méthodologique de cette recherche consiste à compiler les modèles existants de comportement rhéologique de la glace et les inclure dans la simulation numérique des principaux événements historiques de poussées des glaces mesurés au Canada. La construction d’un modèle numérique commence par un choix de processus et d’hypothèses clés, ainsi que par des modèles rhéologiques à inclure. Par conséquent, une revue compréhensive de la littérature sur le comportement rhéologique de la glace a été réalisée. Cette thèse décrit un modèle de fluage 3D du comportement rhéologique pour deux types de glace (glace columnaire et glace de neige). Le modèle construit peut être implémenté dans un logiciel d’éléments finis pour simuler le comportement de la glace sous les charges statiques. Au cours du projet, le logiciel ANSYS a été utilisé pour construire un modèle d’éléments finis pour des simulations d’événements mesurés. Le modèle d’éléments finis a été validé et étalonné par rapport à des expériences en laboratoire provenant de la littérature. Par la suite, il a été utilisé dans la simulation d’événements de poussées des glaces sur des barrages au Canada. Seule expansion thermique de la glace a été simulée par le modèle d’éléments finis. Les fluctuations de niveau d’eau ont été indirectement incluses dans le modèle par la simulation de la glace confinée latéralement. L’influence de différents facteurs sur la poussée des glaces simulées a été étudiée. Les conseils et les lignes directrices pour le choix et l’implémentation du modèle rhéologique de fluage dans un logiciel d’éléments finis commercial sont également fournis. La thèse est basée sur des résultats d’études qui ont été publiés dans deux articles de colloques et dans un article de journal. La thèse inclut l’introduction des poussées des glaces sur les barrages, les objectifs du projet, les revues de littérature sur les processus influents des poussées des glaces, sur les propriétés rhéologiques des deux types de glace fréquents sur un réservoir et la modélisation du comportement de la glace, ainsi que la présentation des données de terrain, la description du modèle, les études non encore publiées, la conclusion et les recommandations. La thèse discute du lien entre les expériences en laboratoire sur la glace et les mesures in situ des poussées des glaces sur les barrages. L’étude documente le fait que le fluage élastique retardé de la glace a un effet limité sur les poussées des glaces résultantes pour les grandeurs de grains de 3 mm à 20 mm, et son calcul peut être omis dans des évaluations approximatives des poussées des glaces avec cettes grandeurs de grains moyennes. Il est également montré que la variabilité du coefficient de dilatation thermique de la glace avec la température n’est pas importante pour les températures étudiées. L’importance des conditions initiales et du comportement de la glace en tension pour les poussées des glaces résultantes est également montrée. La thèse met l’accent sur l’importance de la considération correcte du confinement latéral et du type de glace pour les calculs de poussées des glaces sur les barrages. Il a été montré que la hausse du niveau d’eau et le confinement latéral de la glace peuvent produire très grandes forces de poussées, si la glace est principalement columnaire. De ce fait, il devient important d’évaluer la possibilité d’avoir des hivers secs ayant peu d’accumulation de neige sur la glace (les conditions favorables à la formation de la glace columnaire) pour la sélection de la charge de conception. / Hydroelectric dams are subjected to ice loads in cold climates. Withstanding such loads is an important safety requirement for the structures. Although dams have been built and operated by different countries for many years, there is no consensus on a design ice load criteria. Design values vary considerably – by more than 3 times from one international authority to another. The complex nature of ice loads involves many factors and uncertainties that still prevent the full understanding of ice field processes in spite of much progress done in this direction. This doctoral research aims to give new insights into reservoir ice loads, and, thus, to move forward the objective of harmonization of ice load design criteria. The main approach of this research is a compilation of existing models of ice material behaviour and their inclusion in the numerical simulation of key historical ice load events measured in Canada. A construction of a numerical model begins with a choice of key processes and key assumptions as well as material models to include. Therefore, a comprehensive literature review on the topic is required. During the project, diverse literature on ice material behaviour was reviewed. This thesis describes a 3D creep material model for rheological behaviour of two types of ice, namely columnar (S2) ice and snow (T1) ice. The constructed model can be implemented into software to simulate behaviour of ice under the static loads. In this project, the commercial software ANSYS was used for this purpose to build a finite element model (FEM) for simulations of field events. After the FEM was built, it was validated and calibrated against laboratory experiments taken from the literature. Subsequently, the resulting FEM was used for simulation of key Canadian field events. Only thermal expansion of ice was simulated by the FEM with indirect accounting of the impact of water level fluctuations through the modelling of ice cover under lateral confinement. The influence of different factors on the simulated ice load was studied, namely, the influence (i) of selected material constants, (ii) of lateral confinement, (iii) of grain size and of delayed elastic creep, (iv) of variable or constant coefficient of thermal dilatation, (v) of ice type, (vi) of initial stresses as well as (vii) the influence of ice behaviour in tension. The advice and guidelines for the choice and implementation of a creep material model into commercial finite element software are also given. The thesis is based on studies conducted for two conference papers and one journal paper. The thesis includes introduction to the ice loads on dams, objectives of the project, literature reviews on governing ice loading processes, on material properties of two types of ice of frequent occurrence on a reservoir and on modelling of ice behaviour as well as field data presentation, model description, yet unpublished studies, conclusion and recommendations. The thesis discusses the linkage between laboratory experiments on ice and in situ measurements of reservoir ice loads on dams through the numerical modelling of field events. It documents the fact that delayed elastic creep has a limited effect on the resulting ice load for grain sizes of 3 mm – 20 mm, and its calculation can be omitted in approximate assessments of field ice loads for ice cover with these average grain sizes. It is also shown that variability of coefficient of thermal dilatation of ice with temperature is not important for the temperature range studied. The importance of initial conditions and ice behaviour in tension for the resulting ice load is also shown. The thesis emphasizes the importance of correct accounting of lateral confinement and ice type for ice load calculations. It is shown that when water level rises and the ice is confined laterally, if the reservoir consists primarily of columnar ice, the loads can be very substantial. As such, it is recommended that engineers pay particular attention to the possibility of having cold dry winters with little snow accumulations on an ice cover (favorable conditions for columnar ice formation) when choosing their design criteria.

La recherche dans le domaine de la glace afin de mieux connaître la poussée sur les ouvrages hydrauliques se poursuit depuis plusieurs décennies. Les forces générées par les couverts de glace sur les structures sont non négligeables particulièrement pour les petits ouvrages là où la pression hydrostatique est faible. La littérature est remplie de méthode empirique permettant de déterminer ces efforts. Dans un premier temps, l'analyse des résultats de la campagne de mesure menée par l'Université Laval, l'Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ) et BMT Fleet Technologie en 2007-2008 a permis de démontrer que la poussée de la glace est variable dans l'espace. Ainsi, l'application d'une valeur uniforme de poussée de la glace, bien que simplificatrice, ne représente pas la réalité. La valeur suggérée par l'association canadienne des barrages de 150 kN/m se trouve bien au-delà de la valeur intégrée mesurée durant la première année de ce projet de 77 kN/m. Dans la même optique, la variabilité spatiale implique l'utilisation de plusieurs instruments de mesure sur un même ouvrage afin de tenir compte de l'effet d'indentation. D a été démontré que pour un même nombre d'instruments à un moment précis, les valeurs moyennes de poussée de la glace peuvent varier considérablement. Cette observation remet en doute les résultats d'expériences ayant été réalisées à l'aide de quelques capteurs de pression isolés. Enfin, l'analyse des résultats a mis en évidence l'importance des fluctuations de niveau d'eau. Il est prouvé que les fluctuations thermiques, bien que non négligeables, ne sont pas responsables à elles seules de la poussée de la glace. Dans un deuxième temps, la mise au point d'un modèle thermomécanique a été réalisée dans le logiciel à éléments finis ANSYS 12.1. Ce modèle est capable de résoudre pour une géométrie tridimensionnelle appuyée sur une fondation élastique (poussée d'Archimède) et prenant en compte le fluage de la glace selon les paramètres de Barnes et coll. (1971) et une équation de type Norton. Ce projet était le premier pas pour la mise au point du modèle. Des projets en cours permettront d'améliorer le modèle afin de prendre en compte, entre autres, la fissuration et les conditions d'appuis des berges. Les résultats confirment que le modèle fonctionne correctement et donne des résultats conformes à la littérature. Une étude paramétrique a été menée afin d'éclaircir l'influence du module de Young sur la poussée de la glace. De plus, plusieurs analyses ont été effectuées afin d'établir l'importance des conditions d'appuis sur le barrage et le type de chargement. Conformément à la théorie, le modèle semble indiquer qu'à de faibles températures, la glace flue lentement. Toujours en accord avec la théorie, le modèle montre une dissipation des contraintes plus lente lors de plus faibles températures. L'impact réel de ce phénomène devra faire l'objet d'études plus approfondies. Dans cette optique, une glace très froide subissant un événement de déformation rapide atteindra des niveaux de contraintes maximaux tels qu'observés lors du mois février de l'hiver à l'étude. Enfin, le modèle numérique montre que les fluctuations de niveaux d'eau sont non négligeables et doivent faire partie des mécanismes générateurs de poussées.

Titre de l'écran-titre (visionné le 25 mars 2024) / Au cours des dernières décennies, la télédétection a grandement facilité la documentation des tendances associées au raccourcissement de la période d'englacement des lacs en réponse au changement climatique. Bien que ces investigations soient diversifiées, certaines lacunes persistent, notamment l'exclusion des petits lacs et des réservoirs des études globales, et ce malgré leur abondance dans l'hémisphère nord. Ainsi, l'objectif de ce projet est de caractériser l'englacement des lacs et réservoirs à travers l'hémisphère nord grâce à l'imagerie satellitaire Sentinel-2A. Il vise également à examiner les tendances spatiales des dates de phénologie et à évaluer l'influence des caractéristiques géographiques, morphométriques et climatiques associées aux plans d'eau. Ces travaux reposent sur le développement d'une vaste base de données regroupant les dates de phénologie de la glace de 3702 lacs et de 1028 réservoirs à travers l'hémisphère nord de 2019 à 2023. En outre, cette base de données a permis la calibration d'un modèle prédictif de l'englacement des plans d'eau. Ce modèle, de type forêt aléatoire, a démontré une bonne performance avec une erreur absolue moyenne de 11 et 13 jours pour la prise et la fonte de la glace, respectivement. Cette marge d'erreur s'explique principalement par les causes d'incertitudes associées à la détection de glace par imagerie optique, notamment la gestion de la couverture nuageuse, mais aussi la détection de glace noire en climat aride. Parmi les variables d'entrée du modèle, la latitude et l'accumulation maximum des degrés-jours de gel constituent les paramètres déterminants dans la prédiction des dates de gel et de fonte de la glace. Bien que l'utilisation des capteurs optiques présente des défis spécifiques, le potentiel de la télédétection reste significatif dans le cadre d'études globales sur la glace, offrant également la possibilité d'améliorer les modèles climatiques actuels. L'étude de cas du réservoir de la Romaine-2 illustre un exemple concret de la synergie entre la télédétection et la modélisation. / In recent decades, remote sensing has considerably facilitated the documentation of trends related to the shortening of lake ice duration in response to climate change. Although these studies are diverse, certain gaps remain, in particular the exclusion of small lakes and reservoirs from global studies, despite their abundance in the Northern Hemisphere. Using Sentinel-2 satellite imagery, this project aims to characterize lake and reservoir freeze-up period across the Northern Hemisphere, and to assess the influence of their geographic, morphometric and climatic characteristics. This work is based on the development of an extensive database of ice phenology dates for 3702 lakes and 1028 reservoirs across the Northern Hemisphere from 2019 to 2023. This database was also used to calibrate a predictive model of lake and reservoir ice conditions. This random forest model performed well, with mean absolute errors of 11 and 13 days for freeze-up and break-up, respectively. This error is mainly due to uncertainties associated with ice detection from optical imagery, particularly cloud cover management, but also black ice detection in arid climates. Among the model input variables, latitude and maximum accumulation of freezing degree-days were the determining parameters in predicting freeze-up and break-up dates. Although the use of optical sensors presents specific challenges, the potential of remote sensing in the context of global ice studies remains significant and offers the possibility of improving current climate models. The case study of the Romaine-2 reservoir provides a concrete example of the synergy between remote sensing and modeling.

À l'heure actuelle, il y a une divergence entre les différentes approches quant aux critères de poussée de glaces à considérer en cas de réfection d'ouvrages existants ou de conception des nouveaux ouvrages. Pour palier ce manque de consensus, l'Université Laval, en collaboration avec Hydro-Québec (IREQ) et avec la participation de BMT Fleet Technology, a entrepris une étude d'uniformisation et d'harmonisation de critères. Dans le cadre de cette étude, au cours de l'hiver 2009, une campagne exhaustive de mesure a été menée sur deux barrages de la rivière Saint-Maurice, dont celui de Beaumont et de La Gabelle. Afin de pouvoir quantifier la poussée agissant dans le couvert de glace et sur le barrage, différents équipements ont été utilisés, dont des jauges Biaxiales, des jauges BP, des jauges BP-Glycol et des Panneaux à Sondes Multiples (PSM - utilisés autrefois par Carter et Stander). De plus, des prismes et des appareils photo «time-lapse» permettaient d'investiguer sur le déplacement temporel du couvert. L'analyse de poussées sur le barrage et dans le couvert de glace a relevé l'effet d'indentation qui se traduit par une diminution de la poussée à mesure qu'augmente la surface sur laquelle les poussées sont moyennées. Pour le barrage de Beaumont, par exemple, cela est visible en comparant les poussées de jauges provenant de boîtes 90 (0 m du barrage), 100 (5 m du barrage) et 110 (12 m du barrage), pour lesquelles les valeurs maximales de poussée sont, respectivement, de 171 kN/m, 80 kN/m et 62 kN/m. L'effet est encore plus visible à La Gabelle, où la boîte 130, placée sur le mur du barrage, relève une poussée maximale de 554 kN/m. À 3 m du barrage, la poussée diminue du tiers et n'est plus que de 166 kN/m (boîte 50). À 15 m, elle devient de 99 kN/m (boîte 80). Et finalement, à 29 m, elle est 70 kN/m (boîte 300). Puisque les fluctuations se propagent non seulement spatialement, mais aussi temporellement, les valeurs des moyennes mobiles temporelles sont possiblement plus représentatives des poussées sur le barrage moyennées spatialement. En prenant la moyenne mobile sur quatre jours, on note que la poussée maximale à La Gabelle pour l'hiver 2009 est de 188 kN/m et à Beaumont, de 40 kN/m. Par rapport au critère de poussée de glaces relevé par les travaux de Carter (1998) et Stander (2006) au barrage La Gabelle, la valeur de la poussée moyennée se situe dans l'ordre de grandeur proposé (entre 150 kN/m et 250 kN/m). L'étude a également permis de constater la relation entre la poussée et le changement de niveaux d'eau et de température. Au jour du 29 janvier 2009, par exemple, les sondes biaxiales Bia4 et Bial2 et les PSM enregistrent, au site de Beaumont tout comme à celui de La Gabelle, une fluctuation de température et de niveau d'eau qui ont, pour conséquence, d'induire, aux deux barrages, le même jour, la poussée ponctuelle maximale de toute la saison. Il serait, maintenant, intéressant de concevoir une étude pour mesurer les phénomènes responsables de l'atténuation spatio-temporelle de la poussée et d'y inclure l'étude de différentes interfaces. Cela permettrait de démontrer comment la déformation de l'interface réduit les forces, ce qui pourrait expliquer pourquoi, en dépit de valeurs numériques élevées de forces appliquées, les structures demeurent résistantes et qu'à ce jour aucune rupture de barrage, imputable à la poussée de glaces, n'a été observée.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / L'Arctique se réchauffe rapidement, et les lacs de ces régions sont typiquement décrits comme étant très sensibles aux variations environnementales. Cependant, les données physicochimiques sous forme de profils ou de séries temporelles sont rares, en particulier dans les régions les plus nordiques, et peu d'attention a été accordée à la période sous glace. Cette thèse se compose de trois chapitres visant à mieux comprendre la dynamique des lacs de l'Arctique face aux changements climatiques, en se penchant sur la dynamique de l'oxygène et les processus biogéochimiques impliqués. Le premier chapitre se penche sur quatre lacs côtiers de l'île d'Ellesmere. Des profils physicochimiques ont été mesurés dans ces lacs avant la fonte printanière sur trois années consécutives. Malgré leur proximité géographique, ces lacs présentaient des différences majeures en termes de propriétés limnologiques. Les lacs moins profonds, et situés plus proches de l'océan étaient pauvres en oxygène, tandis que les lacs plus profonds et plus éloignés étaient mieux oxygénés. En association avec la déplétion en oxygène dans les lacs peu profonds, des gradients verticaux prononcés en ions, métaux et éléments nutritifs ont été observés, indiquant des processus microbiens anaérobies importants. Ces résultats suggéraient que les caractéristiques biogéochimiques étaient davantage influencées par la morphologie du lac que par leur position le long du gradient océan-intérieur. Le deuxième chapitre est une revue systématique des connaissances sur la dynamique de l'oxygène dissous dans les lacs arctiques. Des données de 167 sites sur 76 ans, incluant 40 sites avec des séries temporelles ont été recueillies pour réaliser une méta-analyse. Les résultats ont montré que les lacs peu profonds situés au sud du gradient latitudinal étaient plus susceptibles d'avoir des concentrations d'oxygène faibles, et que les lacs méromictiques étaient situés vers le nord du gradient. Un modèle conceptuel a été développé pour expliquer les mécanismes derrière les variations de la dynamique d'oxygène en réponse aux pressions climatiques. Cette étude met en évidence la nécessité d'une surveillance continue de l'oxygène dissous dans les lacs arctiques, et suggère des efforts de modélisation pour mieux comprendre les répercussions des changements climatiques. Le troisième chapitre se penche sur la dynamique de l'oxygène et de la température dans un lac du Haut-Arctique sur trois cycles annuels complets. Les variations interannuelles ont révélé que ce lac est sensible aux changements de nature climatiques. Les étés plus chauds ont entraîné des concentrations d'oxygène élevées dans les eaux libres de glace et une stratification thermique, tandis que l'été le plus froid a provoqué une anoxie persistante dans les eaux de fond. Ces résultats indiquent que de légères variations climatiques peuvent entraîner des trajectoires différentes pour les lacs de l'Extrême-Arctique, avec des conséquences majeures pour les processus biogéochimiques. Cela souligne également l'importance de ces écosystèmes en tant qu'indicateurs des changements environnementaux globaux. Dans son ensemble, cette thèse montre que les lacs du Haut-Arctique sont sensibles aux changements climatiques et souligne l'importance de surveiller de près ces écosystèmes en transition. Ce projet fournit également des recommandations pour de futures études et met en évidence la nécessité de mieux comprendre les processus limnologiques dans l'Arctique pour prédire les répercussions des changements climatiques. / The Arctic is warming rapidly, and lakes in these regions are typically very sensitive to environmental variations. However, physicochemical data in the form of profiles or time series are rare, particularly in the northernmost regions, and little attention has been paid to the ice-covered period. This thesis consists of three chapters aiming for a better understanding of the dynamics of Arctic lakes in the face of climate change, with a focus on oxygen dynamics and the biogeochemical processes involved. In the first chapter, we studied four coastal lakes on Ellesmere Island. Physicochemical profiles were measured in these lakes before spring melt over three consecutive years. Despite their proximity to each other, these lakes presented major differences in terms of limnological properties. Shallower lakes located closer to the ocean were oxygen depleted, while deeper and more inland lakes were well oxygenated. In association with oxygen depletion in shallow lakes, pronounced vertical gradients in ions, metals and nutrients were observed, indicating significant anaerobic microbial processes. These results suggested that biogeochemical characteristics were more influenced by lake morphology than by their position along the ocean-inland gradient. The second chapter is a systematic review of knowledge about oxygen dynamics in Arctic lakes. Data from 167 sites over 76 years, including 40 sites with time series, were collected to perform a meta-analysis. The results showed that shallow lakes located south of the latitudinal gradient were more likely to have low oxygen concentrations, and that meromictic lakes were located toward the north of the gradient. A conceptual model was developed to explain the mechanisms behind variations in oxygen dynamics in response to climatic pressures. This study highlights the need for continued monitoring of dissolved oxygen in Arctic lakes, and suggests modelling efforts to better understand the impacts of climate change. The third chapter looks at the dynamics of oxygen and temperature in a High Arctic lake over three complete annual cycles. Interannual variations revealed that this lake is sensitive to climatic variables. Warmer summers led to elevated oxygen concentrations in ice-free waters and thermal stratification, while the colder summer caused persistent anoxia in bottom waters. These results indicate that small climatic variations can lead to different trajectories for High Arctic lakes, with major consequences for biogeochemical processes. They also highlight the importance of these ecosystems as indicators of global environmental changes. This thesis shows that High Arctic lakes are sensitive to climate change and highlights the importance of closely monitoring these transitioning ecosystems. This project also provides recommendations for future studies and highlights the need to better understand limnological processes in the Arctic to predict the impacts of climate change.

Durant les mois de janvier et février 2019, trois embâcles ont forcé l'arrêt de la navigation commerciale vers le Port de Montréal. Ce mémoire présente les conditions météorologiques associées aux embâcles sur le fleuve Saint-Laurent de l'hiver 2018-2019. Il explique que les embâcles se développent à la suite d'arrêts de glace dans le bief problématique du lac Saint-Pierre entre la courbe Louiseville et le bassin Yamachiche. Pour ce faire, l'étude considère la production de glace en amont jusqu'au lac Saint-Louis. Il explique pourquoi ce bief est si vulnérable à l'initiation d'embâcles en présentant les neuf concepts de vulnérabilité du lac Saint-Pierre. De plus, il propose quatorze recommandations concrètes pour améliorer la fiabilité de navigation hivernale en réduisant les risques d'embâcles. En considérant ces recommandations, différentes opportunités de télédétection et une interface utilisateur sont présentées. L'opportunité de télédétection introduit la possibilité d'usage d'images de RADARSAT Constellation Mission et de photographies par drone afin d'évaluer des éléments clés comme la progression du couvert de glace, la largeur effective du chenal, la concentration de glace en transit et la vitesse de la glace. L'interface est un prototype d'outil d'aide à la décision de source libre qui permet d'obtenir d'autres informations quantitatives sur les risques d'arrêts de glace et du même fait, d'embâcles de glace. / In January and February 2019, three ice jams blocked commercial navigation to the Port of Montreal. This thesis presents the environmental conditions associated with the ice jams of winter 2018-2019 on the Saint Lawrence River. It explains how the ice jams develop when an ice stoppage prevents the circulation of ice floes downstream. It focusses on the area that is most at risk of ice jams in the St. Lawrence River reach known as Lake St. Pierre (specifically between curve Louiseville and the Yamachiche basin). The study also accounts for the ice production in the river upstream (all the way to Lake St. Louis). To do so, ice processes, historical information and ice management structures are analysed, and the vulnerability of the area is presented by discussing nine key concepts. Using this information, 14 recommendations are proposed to improve the reliability of commercial winter navigation and to reduce the risks of ice jams. Considering there commendations, different opportunities of remote sensing and of a data assimilation management tool are presented. The opportunity for remote sensing introduces the possibility of using the images of RADARSAT Constellation Mission and drone photography to evaluate critical elements like the ice cover progression, the effective channel width, ice concentration and ice speed. A data assimilation management tool is proposed using an open-source decision support system. The tool provides quantitative information about the risks of ice stoppages and ice jams as a function of degrading weather and hydro-cryological conditions.

Depuis de nombreuses années, le Gouvernement canadien collige différentes observations sur la glace lacustre, marine et de rivière. La Base de données canadienne sur la glace (BDCG) fût réalisée afin de regrouper toutes les données concernant les différentes caractéristiques de la glace au Canada. La BDCG est constituée de 63 546 observations in situ des conditions de glace de 757 sites, et ce, depuis 1822. Un échantillon de 28 sites nordiques, extraits de la BDCG, a été analysé dans le but d'identifier les relations statistiques possibles entre les variations de température de l'air de surface et les dates de formation/fonte de la glace de lac dans le Nord du Canada. Le comportement de la glace de lac s'avère être un bon indicateur de variabilité climatique pour une région donnée, mais une relation statistique plus significative a été constatée pour les lacs continentaux par rapport aux lacs côtiers.