Le design des ouvrages hydroagricoles nécessite la détermination des débits de crue et des volumes de ruissellement. Les méthodes d'estimation utilisées au Québec n'ont pas été validées sur des petits bassins versants agricoles. Cette étude avait pour objectif de proposer et de valider une méthode d'estimation des débits de crue et des volumes de ruissellement adaptée aux conditions agro-climatiques québécoises. Elle s’est appuyée sur l’analyse, réalisée à l’aide du logiciel VisuHydro (Lagacé, 2012b), de plus de 700 hydrogrammes provenant de douze petits bassins versants (3 à 30 km2). Les propriétés des hydrogrammes telles que la hauteur de ruissellement, les paramètres de forme de l'hydrogramme, le temps de montée et les débits de pointe ont été déterminées et comparées aux estimations des modèles utilisés présentement au Québec. Les méthodes d'estimation des temps de concentration (Kirpich, SCS Lag, Mockus, Bansby-Williams) et de la hauteur de ruissellement (SCS) se sont montrées non valides.

Le défi relevé dans ce mémoire est d'élaborer un nouveau modèle d'écoulement « Q3D » permettant le calcul des débits dans les cours d'eau naturels, en présence et absence d'un couvert de glace, à partir des relevés de vitesses et de profondeurs enregistrés par un instrument installé dans le fond du cours d'eau. Ce modèle, dans sa composante d'éléments finis, résout l'équation de Poisson pour générer la forme de la distribution des isotâches (contours d'égale vitesse). Les vitesses sont ensuite obtenues à l'aide de l'équation proposée par l'auteur du modèle POME (Principle Of Maximum Entropy) reliant ces contours au degré de turbulence caractérisant l'écoulement. Q3D est testé sur les données provenant des instruments SONTEK Argonaut Shallow water (SW) installés à deux sites voisins sur la rivière Châteauguay, QC. Les premiers résultats obtenus indiquent que Q3D reste stable dans l'estimation des paramètres hydrauliques, malgré le changement des conditions d'écoulement. La comparaison des débits du modèle Q3D avec les jaugeages réalisés indique que Q3D est sensible à la forme géométrique de la section d'écoulement. En ayant l'information d'un seul jaugeage, il est possible d'introduire un facteur de correction des débits. Une fois appliqué, Q3D présente des résultats excellents : Pour le site aval de Châteauguay, été comme hiver, 12 fois sur 13 l'erreur sur le débit est inférieure à 7%. Cela est très prometteur pour de futures investigations. / This study introduces a new model "Q3D" to calculate flow in the natural rivers during summer and winter conditions using velocity and depth data obtained by an instrument installed in the bottom of the river. The model uses a finite element mesh to solve the Poisson's equation to generate the form of the distribution of the isovels (contours equal velocity) in the gauged cross-section. As a function of turbulence intensity, numerical values are then assigned to the isovels using the equation suggested by the authors of the POME model (Principle Of Maximum Entropy). Q3D is tested on the data of the Châteauguay River, QC. Results indicate that Q3D remains stable in the estimate of the hydraulic parameters for a wide variety of flow conditions. The comparison of Q3D with measured discharges indicates that Q3D is sensitive to the geometrical form of the cross-section of stream. However, when one single gauging is used to calibrate Q3D, it yields excellent results: the error in discharge was less than 7% in 12 times out of 13 measurements. Therefore, winter or summer, Q3D is a very promising candidate for use in conjunction with the velocity index methods to monitor streamflow.

Lors des crises (sécheresses ou crues) les données hydrométriques participent directement aux processus de décision pour la gestion en temps réel de la ressource en eau mais également à l'analyse a posteriori pour le règlement des litiges. Pour pouvoir prendre des décisions cohérentes, il est alors essentiel de connaître l'incertitude associée aux données de débit. Si les techniques hydrométriques se sont nettement améliorées au cours des dernières décennies, l'estimation des incertitudes reste un défi pour la communauté de l'hydrométrie.Cette étude, portant sur la quantification des incertitudes des jaugeages au courantomètre, s'inscrit dans une suite de travaux récents dont la perspective vise la mise à jour potentielle de la norme ISO 748. Une méthode de propagation analytique des incertitudes, nommée FLAURE, est exposée dans ce manuscrit. Elle permet de pallier les inconvénients des méthodes existantes et vise l’objectivation des différentes sources d’incertitude. Une attention particulière est portée au terme prépondérant d’incertitude dû à l’intégration latérale des profils de vitesse et de bathymétrie (u’m). Pour cela un lien a été établi entre un indice de qualité d’échantillonnage et les erreurs d’interpolation latérale des profils grâce à l’étude de jaugeages à haute résolution latérale de mesure.En l’absence d’étalon de référence en termes de débit d’un cours d’eau, l’apport des essais interlaboratoires, permettant d’obtenir une estimation de l’incertitude dans les conditions des essais, est discuté. La confrontation des approches analytiques à deux campagnes d’essais interlaboratoires a montré les limites de ces deux approches et n’a pas permis de mettre en évidence une méthode analytique fiable. Néanmoins, la multiplication des campagnes d’essais de ce type dans des conditions variées permettra, à terme, d’aboutir à un calcul d’incertitude plus fiable grâce notamment à l’estimation de composants d’incertitude jusqu’alors omis. / During crisis (droughts or floods) hydrometric data are essential for decisions, in real-time, related to water resource management but also afterwards in cases of disagreement. Discharge measurements are the first step to produce such data and associated uncertainty has to be estimated in order to make coherent decisions. Although discharge measurements techniques have improved in recent years, uncertainty analysis is still a challenge in hydrometry.This study aims to estimate uncertainty in discharge measurements using the velocity-area method with potential perspective of ISO 748 standard updating. Different analytical methods, that follow the guide to the expression of uncertainty in measurement, are available in the literature, all with their own limitations and drawbacks. To address the limitations of existing methods, this study presents a new methodology, called FLAURE, to estimate the uncertainty components. Special attention is given to the estimation of u’m component related to cross-sectional interpolation errors. High-resolution reference gaugings are used to assess the uncertainty component through a statistical analysis. The method then establishes an explicit link between the estimation of cross-sectional interpolation errors and a sampling quality index.It is a challenging task to assess which analytical method provides the best uncertainty estimation due to the lack of streamflow measurement reference standards in natural streams. A useful tool to empirically estimate the uncertainty of a gauging method is the field inter-laboratory experiments. This study presents a comparison between analytical methods and two field inter-laboratory experiments. The comparison has shown the limits of these two approaches and has not highlighted the best analytical method. However, further comparisons, with various site conditions, between the two approaches will probably consolidate analytical methods and improve the reliability of discharge uncertainty estimates.

Les protocoles hydrométriques en rivière ne répondent pas aux besoins des hydrologues et des hydrauliciens. L'appareillage traditionnel de jaugeage (moulinet, ADCP) est limité par son aspect intrusif, particulièrement en crue et en étiage. Cette thèse étudie la technique Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV) qui consiste à identifier, par analyse d'images, un champ de vitesses en surface. L'ajout d'un modèle hydraulique permet le calcul du débit.<br /><br />Une station LSPIV de mesure en continu et temps réel a été mise en place sur la rivière Iowa à Iowa City (USA). Les premières années de fonctionnement ont montré des estimations LSPIV de débit en bonne concordance avec la courbe de tarage du site et avec des mesures classiques réalisées au moulinet. L'établissement d'une importante base de données a permis une étude de sensibilité de la technique. Les sources d'erreur affectant la mesure ont été identifiées et quantifiées. L'étude de sensibilité a été affinée grâce à un simulateur numérique de la mesure LSPIV en rivière, outils capitalisant notre connaissance de la mesure et permettant d'évaluer l'importance relative de différentes sources d'erreur pour une situation donnée. <br /><br />Une unité LSPIV motorisée (camionnette équipée d'un bras télescopique et d'une caméra) a été développée pour permettre l'application de la méthode en sites difficiles d'accès. Cette unité s'est montrée efficace, donnant des résultats d'excellentes qualités sur les différents sites testés. Des mesures LSPIV de champ de vitesse de surface ont été utilisées par ailleurs pour la validation de la modélisation hydraulique d'une zone d'écoulement complexe (la lône de Port-Galand sur l'Ain) et pour une étude de reconstitution de formes de fond de chenal en laboratoire.

Titre de l'écran-titre (visionné le 9 mai 2023) / L'évaluation des processus hydrologiques implique l'utilisation de modèles pour décrire et comprendre les processus hydrologiques mis en œuvre dans les bassins versants. Cependant, les incertitudes dans la simulation des processus hydrologiques peuvent être considérables et donner lieu à des modèles peu fiables. Idéalement, un modèle hydrologique fiable reproduit à la fois les processus hydrologiques locaux et le débit des cours d'eau. Par conséquent, un calage du modèle hydrologique qui se concentre uniquement sur le débit global mesuré à l'exutoire du bassin versant risque de ne pas saisir les processus hydrologiques réels engendrés par les cheminements de l'eau dans un bassin versant, notamment la séparation des flux hydriques en flux d'eau de surface, en flux d'eau du sol et en décharge des nappes souterraines. Cependant, pour obtenir une représentation adéquate des processus hydrologiques contribuant à la génération du débit global, il est nécessaire de disposer d'observations hydrologiques pertinentes. À ce titre, la séparation des hydrogrammes est utile pour représenter les processus sous-jacents qui régissent l'écoulement global. Dans cette étude du petit bassin versant agricole (33,2 km²) du ruisseau Ewing, un affluent de la rivière Aux Brochets en Montérégie, au Québec, nous avons exploré le potentiel de la séparation des hydrogrammes dans la procédure d'optimisation des paramètres par le calage automatique des débits, tout en assurant une représentation réaliste des processus hydrologiques régissant les débits à l'échelle du bassin versant. Pour y parvenir, une condition préalable importante était de comprendre le fonctionnement hydrologique des bassins versants agricoles au Québec profitant de drainage souterrain artificiel de façon systématique. À cette fin, nous avons étudié la séparation des hydrogrammes en utilisant la conductivité électrique de l'eau du cours d'eau comme traceur des voies hydrologiques et évalué la performance de différentes méthodes existantes de séparation des hydrogrammes, dont les techniques de filtrage automatisé. Six méthodes courantes ont été évaluées : BFLOW, UKIH, PART, FIXED, SLIDE, LOCMIN et Eckhardt. Elles ne diffèrent que par la manière dont elles filtrent les flux lents par rapport aux flux rapides. Pour la mise en œuvre de la méthodologie de séparation des hydrogrammes dans le processus d'optimisation des paramètres, seules trois méthodes sélectionnées (BFLOW, Eckhardt et géochimique) ont été appliquées pour le calage automatique du modèle hydrologique SWAT. Les trois méthodes... / The assessment of hydrological processes involves the use of models to describe and understand the hydrological processes occurring in watersheds. However, uncertainties in the simulation of hydrological processes can be considerable and result in unreliable models. Ideally, a reliable hydrological model captures both local hydrological processes and stream discharge. Therefore, a hydrological model calibration that focuses only on the overall discharge measured at the watershed outlet may not capture the real world hydrological processes that are driven by the water pathways in a watershed, particularly the separation of water flows into surface water flows, soil water flows and groundwater discharge. However, to achieve an adequate representation of the hydrological processes contributing to the overall discharge generation, it is necessary to have relevant hydrological observations. As such, hydrograph separation is useful in representing the underlying processes governing the overall flow. In this study of the small (33.2 km²) agricultural subwatershed of Ewing creek, a tributary of the Aux Brochets river in Montérégie, Quebec, we have explored the potential of hydrograph separation in the procedure of parameters optimization through automatic streamflow calibration, while ensuring a realistic representation of the hydrological processes governing water flows at the subwatershed scale. To realize this, an important prerequisite was to understand the hydrological functioning of agricultural subwatersheds in Quebec under systematic artificial subsurface drainage. To this end, we studied hydrograph separation using the stream water electrical conductivity as a tracer of the hydrological pathways and evaluated the performance of different existing hydrograph separation methods including automated filtering techniques. Six popular methods were evaluated: BFLOW, UKIH, PART, FIXED, SLIDE, LOCMIN and Eckhardt. They only differ in the way they filter slow flow to quick flow. For the implementation of the hydrograph separation methodology in the parameters optimization process, only three selected methods (BFLOW, Eckhardt and geochemical) were applied for the automatic calibration of the SWAT hydrological models. The three hydrograph separation methods integrated...

Titre de l'écran-titre (visionné le 19 janvier 2024) / Ce mémoire a pour but de réaliser une analyse fréquentielle des débits d'étiages estivaux observés sur des bassins versants jaugés au Québec de moins de 500 km² ainsi que la réalisation d'une analyse régionale utilisant les dépôts meubles et l'occupation du territoire afin d'estimer les débits d'étiages estivaux de sites non jaugés. Pour y arriver, les trois objectifs suivants ont été identifiés : - Réaliser l'analyse fréquentielle des débits d'étiages estivaux des petits bassins versants dont les données de débits sont disponibles au Québec. - Identifier les dépôts meubles et l'occupation du territoire sur les bassins versants étudiés. - Réaliser une analyse régionale utilisant les quantiles obtenus par l'analyse fréquentielle et les variables explicatives des stations analysées. Une analyse fréquentielle pour 150 stations ayant au moins cinq années de données est réalisée pour les distributions log Normale, Pearson III, log Pearson III, GEV et Gumbel. Les variables d'intérêt pour l'analyse sont les périodes de retour de 2, 5 et 10 ans pour les débits minimums entre le 1ᵉʳ juin au 30 septembre selon une moyenne mobile de 7 jours. Parmi les 150 stations, 23 stations ne respectent pas l'homogénéité et la stationnarité selon les tests de Mann-Kendall et Mann-Whitney et sont retirées de l'analyse. Selon l'EQM, la performance classée en ordre décroissant des distributions est la GEV, Gumbel, log Normale, log Pearson III et Pearson III. Malgré ces résultats, les distributions GEV, Gumbel et Pearson III démontrent des problèmes de quantiles négatifs puisqu'elles ne sont pas bornées positivement. Ces distributions ont une bonne performance pour la partie centrale des distributions, mais la représentativité des données est affectée pour de grandes périodes de retour. Une autre problématique observée est l'application de l'approximation de Wilson-Hilferty pour les distributions Pearson III et log Pearson III. En effet, la variabilité des débits d'étiage limite l'application de cette approximation. Pour le développement des modèles régionaux, les dépôts meubles et l'occupation du territoire sont déterminés en réalisant la délimitation des bassins versants et utilisant les couches vectorielles du 5ᵉ IEQM. Les régions ont été regroupées en deux groupes en fonction des différences significatives entre les débits unitaires des régions. Le premier groupe comporte les régions du Saint-Laurent sud-est (02), Saint-Laurent sud-ouest (03), Outaouais et Montréal (04) et les régions du Saint-Laurent nord-ouest (05), Saguenay et Lac-Saint-Jean (06) et Saint-Laurent nord-est (07) pour le deuxième groupe. Les modèles régionaux ont été déterminés en utilisant une régression de type pas-à-pas inverse et le coefficient de détermination ajusté pour les quantiles Q$_{2,7}$, Q$_{5,7}$ et le Q$_{10,7}$ des stations du premier groupe sont respectivement de 0.871, 0.837 et 0.813 et pour le deuxième groupe, ces coefficients sont respectivement de 0.881, 0.860 et 0.837. Les modèles développés comportent des limites d'application, mais la performance démontre que les dépôts meubles et l'occupation du territoire peuvent servir de variable explicative pour aider à estimer les débits d'étiages estivaux de petits bassins versants québécois.

L'étude du massif des Mémises (Préalpes Médianes Plastiques du Chablais) a pour objectif d'identifier les relations hydrogéologiques possibles entre le substratum rocheux et les dépôts quaternaires du plateau de Gavot. Elle comprend deux volets : un volet géologique et un volet hydrologique et hydrogéologique.<br />La terminaison SW des Mémises correspond à une succession de blocs séparés par des accidents normaux-listriques orientés N20°E à regard SW. L'analyse microstructurale montre la contemporanéité de ces structures et des structures plicatives déjà connues. Les résultats numériques obtenus s'intègrent dans les champs de contraintes régionaux connus (système décrochant, σ1 orienté N160°E) et sont en accord avec les travaux réalisés dans les Préalpes Romandes.<br />Les paramètres structuraux et lithologiques accréditent un schéma de circulations des eaux possible pour la zone d'étude : écoulement W-E au sein du Mont Bénant - Massif Mémises et N-S ainsi que S-N au sein les accidents listriques. Ce schéma a été testé, sur la période février 2005 – janvier 2006, en réalisant le bilan hydrologique à partir de la délimitation des bassins versants (BV) et de l'implantation de 2 stations météorologiques et de 5 stations limnimétriques. Les bilans hydrologiques des BV sont globalement équilibrés. Les BV ne peuvent donc participer à l'alimentation des aquifères de Gavot que dans la marge d'erreur des bilans (jusqu'à 15 à 20 L.s-1).<br />Enfin, les traçages chimiques et les teneurs en δ18O des eaux (sources, forages) révèlent que les écoulements se font dans le substratum rocheux d'W en E via le réseau karstique pour le synclinal des Mémises et d'W en E et d'E en W sur fractures pour le Mont-Bénant.<br />L'ensemble de ces résultats confirme la cohérence de la politique de préservation des ressources mise en place par Danone Eaux France.

Ce sujet de maîtrise a pour objectif principal d'estimer les apports en eau au lac Saint-Charles: patrimoine écologique et principale source d'eau de la Ville de Québec. Cette estimation des apports en eau, par le biais de la modélisation hydrologique (SWAT) permettra d'optimiser les débits relâchés au barrage Cyrille-Delage (situé à l'exutoire du lac et qui permet l'alimentation de la rivière Saint-Charles) pour les besoins de l'usine d'eau potable de Loretteville, tout en conciliant ces besoins avec ceux de l'écosystème environnant. Bien que la mise en place du modèle ait fait ressortir l'absence d'informations essentielles à la modélisation hydrologique du lac Saint-Charles, comme l'étude pédologique des sols et les données de débits d'entrées au lac, les résultats obtenus sont satisfaisants. Pour pallier le manque de données à la rivière des Hurons, principale tributaire du lac, la méthode de transposition des paramètres a été utilisée pour effectuer une modélisation à l'exutoire de cette dernière. Méthode qui a permise d'estimer les apports au lac. En guise de comparaison, une simulation a été effectuée avec les données de débits de la nouvelle station de jaugeage installée sur la rivière des Hurons en décembre 2007. De cette simulation, un coefficient de Nash et sutcliff (CRI ou le critère de Nash) de 0.42 a été obtenu. D'après l'étude de Sahel et al. (2000), le CRI (NSE ou le critère de Nash) de 0.63 obtenu en calage sur le bassin versant de la rivière Jaune et transposé sur le bassin versant de la rivière des Hurons est adéquat et satisfaisant d'après Santhi et al. (2001) et Bracmort et al. (2006). Par contre, en validation, le CRI de 0.3 n'est pas satisfaisant d'après Moriasi et al. (2007). Le CR2 utilisé, privilégie les petites valeurs, a une performance de 0.65 en calage et 0.45 en validation. Le CR3, qui évalue les volumes, est de 0.95 en calage et 0.98 en validation et le coefficient de détermination de R²= 0.67 en calage et 0.41 validation.