L'incertitude profonde pesant sur l'évolution future des systèmes hydriques représente un défi considérable pour leur modélisation et planification. En réponse à ce défi, plusieurs approches, qualifiées d'ascendantes, proposent une inversion de paradigme, en employant une démarche d'aide à la décision robuste plutôt que prédictive. Parmi ces approches, la surface de réponse est un outil fréquent permettant de comparer des décisions alternatives sous forte incertitude. Cette méthode consiste à modéliser la performance d'un système hydrique pour un grand nombre de conditions possibles, échantillonnées en fonction d'un nombre limité de variables, nommées stresseurs, afin d'identifier deux ensembles : l'espace des conditions acceptables et l'espace des conditions inacceptables, selon que la performance simulée du système y satisfait ou non un seuil d'acceptabilité. Pour comparer différentes options envisagées, ce type de méthode nécessite cependant de départager, dans l'espace des conditions possibles, les régions acceptables ou inacceptables en traçant un front net et unique. Les recommandations de l'analyse sont donc soumises à une incertitude normative pesant sur ce front d'acceptabilité : comment définir une performance acceptable ? Acceptable pour qui ? La présente thèse de doctorat intègre l'effet de cette incertitude normative sur une surface de réponse à travers deux axes : ambiguïté et équité. L'ambiguïté est une incertitude normative sur la capacité des acteurs d'un système hydrique à fournir un seuil précis. L'équité porte sur les conséquences des choix d'agrégation des acteurs entre lesquels la performance du système peut varier considérablement. L'ambiguïté du seuil est traduite en logique floue et intégrée à l'incertitude hydroclimatique propre à la surface de réponse. Une méthodologie est proposée pour combiner deux incertitudes de nature très différente, la stochasticité de la surface de réponse et l'ambiguïté de son évaluation, à travers une régression logistique agrégée et une mesure de possibilité. La méthode est illustrée à travers une modélisation du système de réservoirs du Haut Saint-François (Québec méridional, Canada), sous l'angle de la protection face aux inondations. L'équité est analysée en paramétrant des méthodes d'agrégation selon différentes priorités et appliquées à un grand nombre d'usagers. Cela permet d'identifier quels niveaux d'agrégation conduisent à recommander une politique ou une autre. Un modèle multi-agent du système hydrique Jordanien est utilisé pour simuler l'approvisionnement inégal en eau potable des ménages et l'effet de différentes politiques de développement d'infrastructures ou de restructuration de l'approvisionnement. Les résultats montrent comment ces incertitudes normatives peuvent modifier la recommandation d'une analyse de vulnérabilité et comment intégrer ces incertitudes à la surface de réponse. Dans le cas du système du Haut Saint-François, les surfaces de réponse illustrent comment les niveaux de possibilité sont modifiés par le seuil flou et sa fonction d'appartenance, affectant potentiellement la recommandation. Dans le cas Jordanien, le choix d'agrégation modifie fortement la surface de réponse, parfois plus que les politiques augmentant les ressources disponibles. Les résultats montrent aussi les effets non-linéaires que divers types de distribution statistique de l'approvisionnement en eau peuvent avoir sur les surfaces de réponse. Les niveaux d'agrégation menant à différentes préférences sont identifiables, permettant d'établir une relation entre les options disponibles, choix social et incertitude profonde afin d'expliciter les arbitrages et favoriser la délibération. En proposant des outils pour intégrer ces incertitudes normatives aux approches ascendantes d'analyse des systèmes hydriques, ce travail ouvre également des pistes de recherche futures telles que la combinaison de ces deux approches par agrégation de seuils flous, ou leur inclusion au sein de cadres plus vastes d'analyse de vulnérabilité hydrique.

L'incertitude profonde pesant sur l'évolution future des systèmes hydriques représente un défi considérable pour leur modélisation et planification. En réponse à ce défi, plusieurs approches, qualifiées d'ascendantes, proposent une inversion de paradigme, en employant une démarche d'aide à la décision robuste plutôt que prédictive. Parmi ces approches, la surface de réponse est un outil fréquent permettant de comparer des décisions alternatives sous forte incertitude. Cette méthode consiste à modéliser la performance d'un système hydrique pour un grand nombre de conditions possibles, échantillonnées en fonction d'un nombre limité de variables, nommées stresseurs, afin d'identifier deux ensembles : l'espace des conditions acceptables et l'espace des conditions inacceptables, selon que la performance simulée du système y satisfait ou non un seuil d'acceptabilité. Pour comparer différentes options envisagées, ce type de méthode nécessite cependant de départager, dans l'espace des conditions possibles, les régions acceptables ou inacceptables en traçant un front net et unique. Les recommandations de l'analyse sont donc soumises à une incertitude normative pesant sur ce front d'acceptabilité : comment définir une performance acceptable ? Acceptable pour qui ? La présente thèse de doctorat intègre l'effet de cette incertitude normative sur une surface de réponse à travers deux axes : ambiguïté et équité. L'ambiguïté est une incertitude normative sur la capacité des acteurs d'un système hydrique à fournir un seuil précis. L'équité porte sur les conséquences des choix d'agrégation des acteurs entre lesquels la performance du système peut varier considérablement. L'ambiguïté du seuil est traduite en logique floue et intégrée à l'incertitude hydroclimatique propre à la surface de réponse. Une méthodologie est proposée pour combiner deux incertitudes de nature très différente, la stochasticité de la surface de réponse et l'ambiguïté de son évaluation, à travers une régression logistique agrégée et une mesure de possibilité. La méthode est illustrée à travers une modélisation du système de réservoirs du Haut Saint-François (Québec méridional, Canada), sous l'angle de la protection face aux inondations. L'équité est analysée en paramétrant des méthodes d'agrégation selon différentes priorités et appliquées à un grand nombre d'usagers. Cela permet d'identifier quels niveaux d'agrégation conduisent à recommander une politique ou une autre. Un modèle multi-agent du système hydrique Jordanien est utilisé pour simuler l'approvisionnement inégal en eau potable des ménages et l'effet de différentes politiques de développement d'infrastructures ou de restructuration de l'approvisionnement. Les résultats montrent comment ces incertitudes normatives peuvent modifier la recommandation d'une analyse de vulnérabilité et comment intégrer ces incertitudes à la surface de réponse. Dans le cas du système du Haut Saint-François, les surfaces de réponse illustrent comment les niveaux de possibilité sont modifiés par le seuil flou et sa fonction d'appartenance, affectant potentiellement la recommandation. Dans le cas Jordanien, le choix d'agrégation modifie fortement la surface de réponse, parfois plus que les politiques augmentant les ressources disponibles. Les résultats montrent aussi les effets non-linéaires que divers types de distribution statistique de l'approvisionnement en eau peuvent avoir sur les surfaces de réponse. Les niveaux d'agrégation menant à différentes préférences sont identifiables, permettant d'établir une relation entre les options disponibles, choix social et incertitude profonde afin d'expliciter les arbitrages et favoriser la délibération. En proposant des outils pour intégrer ces incertitudes normatives aux approches ascendantes d'analyse des systèmes hydriques, ce travail ouvre également des pistes de recherche futures telles que la combinaison de ces deux approches par agrégation de seuils flous, ou leur inclusion au sein de cadres plus vastes d'analyse de vulnérabilité hydrique.

Selon l'UNESCO, la moitié des pays du monde sont confrontés à la problématique de l'aridité. Environ un tiers de la surface de la planète est localisé dans les régions arides ou semi-arides. D'après le GIEC, l'impact du changement climatique sur les ressources en eau est potentiellement plus important dans ces régions, dans le monde entier, ou les ressources en eau sont limitées. Il y existe une grande pression due à l'expansion des populations, l'augmentation de la consommation d'eau par habitant et l'irrigation. Il est clair que la bonne et efficace gestion de l'eau dans les régions semi-arides nécessite des systèmes d'aide à la décision appropriés, y compris des outils de la modélisation hydrologique. L'objectif principal de ce mémoire est d'étudier l'applicabilité de la modélisation hydrologique multi-modèle globale (développe à l'origine pour les climats humides) sous climats arides et semi-arides. La recherche porte sur l'étude des phénomènes hydrologiques, en particulier les débits du cours d'eau de la base de données MOPEX pour les bassins arides et semi-arides. Pour répondre à cet objectif, treize modèles hydrologiques globaux conceptuels ont été testés. Pour cela, une procédure de calage/validation a été mise en place, s'appuyant sur la méthode SST. Ensuite, une analyse de performance a été réalisée selon le critère de Nash, dans un premier temps, pour quantifier l'efficacité des modèles pris individuellement. Dans un deuxième temps, pour analyser l'intérêt de l'approche multi-modèle, trois méthodes de combinaison sont évaluées, l'une basée sur la moyenne simple des débits simulés (SM), utilisant une pondération pour chaque modèle (PM) et la méthode Backward Greedy (BG). Finalement, une étude comparative entre les trois méthodes de combinaison multi-modèle a été réalisée afin d'établir la valeur ajoutée de l'attribution des poids sur chaque modèle. En conclusion les résultats ont nettement montré que l'avantage de la méthode multi-modèle. Dans l'application des trois méthodes multi-modèles : la Moyenne Simple (MS), la Moyenne Pondérée (MP) et Backward Greedy (BG), dans la majorité des bassins les valeurs de la performance de ces méthodes sont supérieurs aux valeurs des modèles individuels. / According to UNESCO half the world's countries are facing the problem of aridity. About a third of the surface of the planet is located in arid or semi-arid regions. According to the IPCC, the impact of climate change on water resources is potentially more important in arid and semi-arid in the world. In arid and semi-arid areas of the world, water resources are limited. There are a lot of pressure due to the expansion of the population, the increase in per capita water consumption and irrigation. It is clear that good and efficient water management in semi-arid regions requires appropriate decision support systems, including hydrological modeling tools. The main objective of this thesis is to study the applicability of the global hydrological modeling multiple model (originally developed for humid climates) in arid and semi-arid. The research focuses on the study of hydrological phenomena, especially the water course flows in the MOPEX database for arid and semi-arid basins. To meet this goal thirteen overall conceptual hydrologic models were tested. For this, a calibration / validation procedure was put in place, based on the SST method. Then, a performance analysis was conducted using the Nash criteria, at first, to quantify the effectiveness of the models individually. Secondly, to analyze the interest of the multi-model approach, three combination methods are evaluated, one based on the simple average of the simulated flow (SM), using a weighting for each model (PM) and method Greedy backward (BG). Finally, a comparative study between the three methods of combining multiple model was performed to determine the added value of the allocation of weight on each model. In conclusion, the results showed the advantage of multi-model method is net of the results. In applying the three multi model methods : Simple Average (MS), the Weighted Average (MP) and Backward Greedy (BG), in most basins values of the performance of these methods are superior to the values of individual models.

Le partage de l’eau dans des bassins versants transfrontaliers est un problème complexe, en particulier lorsqu’il n’y a pas de tradition de coopération entre les pays riverains dans d’autres domaines non liés à l’eau tels que le commerce. De plus, à mesure que les ressources en eau se développent et que le changement climatique est une nouvelle source de risque, le manque d’informations partagées quant aux débits hydrologiques et aux décisions humaines et institutionnelles sur la gestion des ressources rend de plus en plus difficile la distinction entre facteurs naturels et anthropiques dans le dérèglement d’un régime hydrologique. Des tentatives de récupération de données hydrologiques dans des régions difficiles d’accès ont été réalisées avec succès en utilisant la télédétection. Mais l’application de cette technique pour la modélisation des systèmes d’eau (notamment pour caractériser des infrastructures ou des comportements d’usagers) reste difficile puisqu’elle nécessite d’importantes observations et interactions avec les gestionnaires de la ressource sur le terrain. La portée de la plupart des techniques de modélisation est également limitée par leur incapacité à gérer la multitude d’institutions en charge des ressources en eau, ou l’impact de leurs intérêts spécifiques et souvent opposés sur la ressource en elle-même. Pendant des décennies, ce manque de données détaillées et de techniques de modélisation appropriées a conduit de nombreuses études sur des bassins versants internationaux non gérés de façon concertée à rester qualitatives ou conceptuelles. Cette incapacité à comprendre et à quantifier de manière indépendante les causes de changements hydrologiques est particulièrement frustrante pour des décideurs politiques. Dans le bassin du Yarmouk, par exemple, qui est partagé entre la Syrie, la Jordanie et Israël, le débit annuel moyen correspond aujourd’hui à moins de 15 % de celui qui a précédé la période de développement, et ce malgré la signature d’accords bilatéraux entre la Syrie et la Jordanie (1987) et entre la Jordanie et Israël (1994). Cette situation a conduit les pays riverains à développer chacun leur propre théorie, contestée, concernant l’effondrement du débit du Yarmouk. En prenant ce bassin comme étude de cas, cette thèse de doctorat vise à analyser quantitativement des changements hydrologiques dans des bassins versants transfrontaliers, non gérés de façon concertée, complexes institutionnellement, et aménagés à l’excès. Cet objectif passe par deux activités de recherche principales : (i) le suivi de la retenue d’eau de petits barrages dans des zones inaccessibles – comme première étape à la caractérisation d’un système multi-réservoirs ; et la simulation et l’analyse de scénarios, dans le but d’étudier de manière quantitative des changements hydrologiques dans un bassin versant. Les résultats indiquent que des facteurs naturels et anthropiques sont responsables de la chute du débit du Yarmouk et évaluent leur contribution à cet effet en combinant télédétection, simulation multi-agent et analyse de scénarios. / Sharing waters in a transboundary river basin is challenging, especially when there is no tradition of cooperation between riparian countries in other, non water-related, issues such as trade. Moreover, as water resources are being developed and climate change is a new source of risk, the lack of shared information on hydrological flows and human/institutional decisions on resources management implies that it is increasingly difficult to distinguish between natural and anthropogenic factors affecting a flow regime. Attempts to retrieve hydrological data in hardly accessible areas have successfully been made using remote sensing. But the use of this technique for water systems modeling efforts, and particularly for characterizing infrastructure or understand water user behaviors, remains challenging as it requires extensive on-the-ground observations and interactions with water resources managers. The scope of most modeling techniques is also limited by their inability to handle the multiplicity of institutions dealing with water, or the impact of their specific and often competing interests on water resources. For decades, this lack of detailed data and suitable modeling techniques has led many studies on non-cooperatively managed international river basins to remain qualitative or conceptual, and has therefore frustrated policy makers for not being able to independently understand and quantify the causes of hydrological changes. In the Yarmouk River basin, for example, which is shared between Syria, Jordan and Israel, the annual outflow now corresponds to less than 15% of that of pre-development era, despite the signature of bilateral agreements between Syria and Jordan (1987), and between Jordan and Israel (1994). This state of affairs has led riparian countries to develop their own, contested, narratives regarding the collapse of the Yarmouk flow. Taking the Yarmouk basin as a case-study, this Ph.D. thesis consequently aims at quantitatively analyzing past hydrological changes in non-cooperatively managed, institutionally complex, over-built, transboundary river basins. This objective goes through two main research activities: (i) the monitoring of small reservoirs’ storage in inaccessible areas, as a start to characterize a multi-reservoir system; and (ii) the simulation and analysis of scenarios to quantitatively study changes in a river basin. Results reveal that the contributions of natural and anthropogenic factors to explain the decline of the Yarmouk flows can be identified and then assessed using remote sensing, multi-agent simulation, and scenario analysis.

Le Nunavik est peuplé de communautés s'approvisionnant majoritairement en eau de surface. Plusieurs contraintes, telles que les coûts de traitement et le tarissement des sources en hiver, motivent la recherche d'une alternative, soit l’approvisionnement en eau souterraine. Or, la disponibilité de l’eau souterraine en région nordique est limitée en raison de la présence du pergélisol. De plus, l’exploitation durable des eaux souterraines en région nordique reste à démontrer puisque les processus de recharge des nappes phréatiques ainsi que la dynamique d’écoulement des eaux souterraines sont différents de ceux observés en région tempérée. L’objectif principal du projet est d’évaluer la disponibilité des eaux souterraines en région froide pour l’approvisionnement en eau potable d’une communauté nordique. Pour ce faire, le bilan hydrologique d’un petit bassin versant de 2,1 km2 situé dans la vallée Tasiapik, près de la communauté d’Umiujaq (Nunavik), a été réalisé entre le 1er juillet 2014 et le 1er juillet 2015. Les précipitations totales ont été évaluées à partir des données d’environnement Canada pour une somme de 520 mm. Les évapotranspirations potentielles et réelles ont été calculées à l’aide des équations d’Hydro-Québec (Bisson et Roberge, 1983) et de Budyko (1974) pour des valeurs respectives de 330 mm et 192 mm. L’installation d’un canal jaugeur dans le cours d’eau principal a permis d’évaluer la décharge à l’exutoire de 280 mm. L’emmagasinement dans les réservoirs de surface et souterrain a été estimé en fermant le bilan hydrologique de surface et représente une lame d’eau équivalente de 48 mm. La recharge des eaux souterraines a été caractérisée selon la méthode de Darcy par l’instrumentation de quatre sites recouverts par une végétation différente. Ainsi, la recharge moyenne sur l’ensemble du bassin versant représente 207 mm, ce qui correspond à environ 40% des précipitations totales. Par ailleurs, le bassin versant connait un épisode de recharge par année, à l’instar des deux épisodes normalement observés au Québec méridional. La raison derrière ce phénomène est d’abord reliée à un été plus court et à la fonte tardive de la neige engendrée par le type de végétation. Ensuite, le débit de base est estimé par la séparation d’hydrogramme. La moyenne du débit de base calculé prend une valeur de 193 mm. Ce résultat correspond à un pourcentage du débit total d’environ 69%, ce qui est caractéristique des régions sans pergélisol. Ce résultat n’est toutefois pas surprenant en considérant que le pergélisol est peu présent dans le bassin versant et se retrouve exclusivement sous forme de buttes isolées. De ce fait, son impact sur les écoulements souterrains est limité, sans compter sur le fait qu’il est présent dans une couche de silt qui est peu perméable, même en absence de pergélisol. Par ailleurs, la décharge à l'exutoire est influencée par les eaux souterraines provenant d'autres bassins versants, ce qui explique en partie la valeur élevée obtenue. Le transfert d’eau souterraine entre bassins versants, qui est obtenu en fermant le bilan hydrologique, correspond à un apport d’eau de 34 mm provenant des bassins versants adjacents. Cette estimation semble cohérente avec les caractéristiques du site d’étude. En effet, ce dernier est situé dans une vallée entourée notamment d’une cuesta et d’une colline possédant toutes deux un relief important. Ces caractéristiques font en sorte que la ligne de partage des eaux souterraines est significativement plus étendue que celle de surface. La décharge des eaux souterraines permet également d’estimer la quantité d’eau pouvant être utilisée dans une optique de développement durable. La lame d’eau équivalente à ce paramètre possède une valeur de 193 mm, ce qui représente 405 300 000 litres d’eau. Le bassin versant contient donc suffisamment de cette ressource pour subvenir au besoin du village puisque la communauté utilise environ 18 370 450 litres d’eau par année, soit 4,5% de la ressource disponible. Les campagnes de terrain ont aussi permis la prise d’échantillons afin d’analyser la chimie de l’eau. Ces résultats ont ensuite été comparés aux concentrations maximales acceptables pour l’eau potable provenant du Règlement sur la qualité de l’eau potable du gouvernement du Québec (MDDELCC, 2016) et aux objectifs esthétiques de Santé Canada (2016). La conclusion qui en découle est que l’eau est potable, mais qu’elle dépasse la limite en ce qui a trait au manganèse, ce qui n’est pas un problème, puisque cet élément est surtout nuisible à la lessive et pour les équipements de plomberie. Toutefois, quelques paramètres physico-chimiques n’ont pas été analysés et un examen approfondi des normes bactériologiques est nécessaire pour se prononcer avec certitude sur la potabilité de l’eau souterraine. / Nunavik’s communities rely mainly on surface water. Several constraints, such as treatment costs and drying-up in the winter, motivate the search for an alternative. The availability of groundwater in the northern region is limited, due to the presence of permafrost. Moreover, the sustainable exploitation of groundwater in the Nordic region remains to be demonstrated, as groundwater recharge processes and the dynamics of groundwater flows are different from those observed in temperate regions. The main objective of the project is to assess the availability of groundwater for drinking water supply of a northern community. The water budget of a 2.1 km2 watershed in the Tasiapik Valley near the Umiujaq community (Nunavik) was carried out between July 2014 and July 2015. The total precipitation was evaluated using environment Canada data’s for a sum of 520 mm. Potential and actual evapotranspiration were calculated using the Hydro-Québec equations (Bisson and Roberge, 1983) and Budyko (1974) for respective values of 330 mm and 192 mm. The installation of a gauging channel in the main stream made it possible to evaluate the discharge at the outlet for a total of 280 mm. Storage in surface and underground reservoirs were estimated by closing the surface water budget and represents 48 mm. Groundwater recharge was characterized according to the Darcy method by the instrumentation of four sites covered by different vegetation. Thus, the average recharges over the entire catchment area represents 207 mm, which corresponds to about 40% of the total precipitation. In addition, the watershed experiences one recharge episode per year, which is different from the two episodes normally observed in southern Québec. The reason behind this phenomenon is firstly related to a shorter summer and to the late melting of snow caused by the type of vegetation. Then, the base flow is estimated by the hydrograph separation technic. The average calculated flow rate correspond to an equivalent of water of 193 mm. This represents 69% of the total flow, which is characteristic of regions without permafrost. This result, however, is not surprising considering that permafrost is present in small quantity in the watershed and is found exclusively in the form of isolated mounds. As a result, its impact on underground flows is limited, not to mention the fact that it is present in a layer of silt that is poorly permeable, even in the absence of permafrost. On the other hand, discharge at the outlet is influenced by groundwater from other watersheds, which partly explains the high value obtained. The transfer of groundwater between catchments, which is obtained by closing the groundwater water budget, corresponds to a water supply of 34 mm coming from the adjacent catchments. This estimate seems consistent with the characteristics of the study site. Indeed, the latter is located in a valley surrounded by a cuesta and a hill both having an important relief. These characteristics mean that the groundwater watershed is larger than the surface watershed. Groundwater discharges can also be used to estimate the amount of water that can be used for sustainable development. The equivalent water of this parameter has a value of 193 mm, which represents 405 300 000 litres of water. The watershed therefore contains enough of this resource to meet the village's needs, since the community uses about 18,370,450 litres of water per year, or 4.5% of the available resource. The field campaigns also allowed the sampling in order to analyze the chemistry of water. These results were then compared with the maximum acceptable drinking water concentrations from the Government of Quebec's Drinking Water Quality Regulation (MDDELCC, 2016) and the aesthetic objectives of Health Canada (2016). The conclusion is that the water is drinkable, but that it exceeds the limit with respect to manganese, which is not a problem, since this element is mostly harmful to the laundry and for plumbing equipment. However, some elements have not been analyzed and a thorough examination of the bacteriological standards is necessary in order to determine with certainty the potability of this groundwater.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 avril 2023) / Le comportement hydrologique des cours d'eau de tête est peu connu puisque les mesures du débit, particulièrement dans les ruisseaux dont le bassin versant est de petite dimension, sont peu nombreuses. Les débits de pleins bords, correspondant à une période de retour d'environ 1,5 à 2 ans, sont majoritairement responsables des changements morphologiques des cours d'eau. Une augmentation de 50% de ces débits pourrait entraîner une modification significative de la morphologie des cours d'eau. La littérature suggère que le seuil d'augmentation de 50% du débit de pleins bords ne serait atteint que lorsque plus de 50% de la superficie du bassin versant est récolté. L'étude vise à répondre aux questionnements soulevés par plusieurs intervenants du milieu forestier face à la possibilité que la récolte sur un bassin versant puisse modifier le lit du cours d'eau et prolonger ce dernier vers l'amont. En l'absence de perturbation directe du cours d'eau par la machinerie, les changements morphologiques potentiels seraient attribuables à une augmentation du niveau d'eau causée par la récolte. Les deux objectifs spécifiques de cette étude étaient : (i) de caractériser les changements morphologiques du lit des cours d'eau de tête dont le bassin versant a été soumis à la récolte forestière et (ii) d'expliquer les changements potentiels par un changement des niveaux d'eau et les activités forestières. Les cours d'eau ont été sélectionnés dans trois secteurs où les précipitations sont représentatives de celles du contexte climatique boréal du Québec. La superficie des bassins versants étudiés varie entre 1,43 et 34,83 ha. Les données sur les niveaux d'eau des cours d'eau lors d'évènements pluvieux ainsi que sur la morphologie de leur lit ont été analysées selon un dispositif Before-After- Control-Impact (BACI) où les cours d'eau témoins sont comparés avec les cours d'eau récoltés avant et après la récolte. Les résultats indiquent qu'à la suite de la récolte des bassins versants à l'étude, il n'y a eu aucune modification: (i) des régimes d'écoulement, et (ii) de la morphologie des cours d'eau incluant la création d'un nouveau lit ou l'allongement en amont de la tête d'un cours d'eau existant. Ainsi, cette étude illustre que le retrait du couvert forestier, d'au plus 54 % de l'aire des bassins versants étudiés, n'a pas modifié la morphologie des cours d'eau de tête. Cependant, il est possible que l'installation d'une traverse de cours d'eau en amont et des perturbations des sols associées au ruissellement de surface résultant du passage de la machinerie puissent affecter davantage les écosystèmes aquatiques que la récolte lorsqu'ils croisent une section d'écoulement sous-terrain à proximité de la tête du cours d'eau.

Depuis plusieurs années, la prévision d'ensemble suscite beaucoup d'intérêt en météorologie et en hydrologie. Le dessein de ce type de prévisions est d'évaluer l'incertitude du système pour la présenter sous la forme d'un ensemble de prévisions probables. En hydrologie, la prévision d'ensemble (PHE) est produite en fournissant au modèle pluie-débit les prévisions météorologiques d'ensemble (PME). La valeur ajoutée de cette prévision, comparée à la prévision hydrologique déterministe typique (PHD), pourrait s'avérer d'une grande utilitée pour la gestion en situation de crue. Dans le cadre de cette maîtrise, des PHE de débits et de niveaux sont produites sur le bassin versant du Haut Saint-François pour deux périodes qui ont connu des événements de crues. Les PHE de débits sont simluées en fournissant au modèle hydrologique HYDROTEL la PME issue du système opérationnel d'ensemble canadien. Ces PHE se sont avérées plus performantes que les PHD à partir de l'horizon 24 heures. L'évaluation des PHE obtenues a également démontré que les PHE sous-estiment l'incertitude réelle du système. Cette sous-dispersion de l'ensemble, prononcée lors des premiers pas de temps, s'atténue avec l'horizon. Pour corriger cette sous-dispersion des débits, un post-traitement par la méthode du meilleur membre est appliqué. Cette méthode s'avère efficace et permet d'améliorer la fiabilité de la prévision. Par contre, le post-traitement crée une discontinuité temporelle des hydrogrammes. Pour pallier cette situation, les PHE brutes sous-dispersées sont donc fournies en entrée au modèle hydraulique HEC-RAS pour estimer les niveaux d'eau. Ces prévisions d'ensemble de niveaux présentent également une sous-dispersion, et cela peu importe l'horizon de prévision. L'analyse des prévisions émises les jours précédents les événements de crues a finalement permis de faire quelques observations. Pour l'un des événements, les prévisions probabilistes ont réussi à anticiper l'événement deux jours plus tôt que la prévision déterministe. À 24 heures de préavis, l'incertitude sur les prévisions émises était importante pour les deux événements étudiés. Ce mémoire constitue un premier pas vers l'implantation d'un système opérationnel utilisant les prévisions hydrologiques d'ensemble.

Les objectifs de cette étude étaient de comprendre l'hydrologie et l'évolution morphologique d'un cours d'eau agricole pour en améliorer la gestion. Le cours d'eau Cloutier-Perrier, drainant 4.5km en Montérégie, a été analysé à partir de mesures hydrologiques, d'arpentages et de photographies aériennes. Les mesures de pluie et de débit (2009 à 2011) ont permis l'analyse de 28 événements hydrologiques. Le temps de concentration mesuré a été bien estimé par les équations Aéroport, Mockus ou Bransby Williams et les débits de pointe mesurés ont été bien estimés par la méthode rationnelle ou SCS hydrogramme triangulaire combinée au temps de Mockus ou SCS lag et à la hauteur de ruissellement calculée selon Monfet. L'étude morphologique a montré que les valeurs seuils d'énergie associées à la sédimentation ou la régression étaient respectivement de 7 et 26 W/m2. Un espace de mobilité, d'une largeur de 20 mètres, serait nécessaire sur 22% de la longueur du lit.

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.

Les inondations causées par des épisodes de pluie sur neige en hiver risquent de survenir plus fréquemment avec les changements climatiques. La description de ces épisodes et la quantification de leur impact hydrologique ont été jusque-là peu considérées, en dépit des risques qu'ils posent pour les populations riveraines. Afin d'adapter les modèles prédictifs, il importe plus que jamais de mieux comprendre ces phénomènes. Cette étude examine les conditions initiales de la neige et du sol ainsi que le forçage météorologique ayant un impact sur la réponse hydrologique lors d'épisodes de pluie sur neige en hiver dans le sud du Québec. Sept bassins versants de tailles diverses (54 à 15 515 km²) et huit stations de mesures hydrométéorologiques sont analysés à cet effet. Deux types d'analyses sont proposées. La première est une analyse statistique basée sur des données hydrométriques et météorologiques gouvernementales pour la période allant de 2009 à 2021, ayant permis de définir 95 épisodes de pluie sur neige (ici définis comme un minimum de 3 mm pendant une période de 24 h). On remarque que seuls 55% des épisodes ont un impact hydrologique notable, défini comme Pluie avec ruissellement. Les principaux facteurs affectant la présence d'une réponse hydrologique sont la quantité totale de pluie, la durée de la précipitation et la hauteur initiale de neige. D'autre part, une étude de cas basée sur un travail de terrain ciblé avant, pendant et après deux épisodes de pluie sur neige survenus en février 2022, a notamment permis d'observer les processus de métamorphisme de la neige, de même que la disparité spatiale dans les propriétés du couvert de neige à l'échelle d'un site et même de diverses zones du sud du Québec. La variabilité au niveau de la géographie et les différences de superficie entre les bassins versants sont proposées comme étant les principaux facteurs qui vont contraindre la réponse d'un bassin versant à un épisode de pluie sur neige, en plus de l'occupation du territoire, du type de sol et de l'altitude.