Ce mémoire vise à reconsidérer la gestion des ressources en eau qui s'opère actuellement sur le bassin versant de la rivière Matawin à travers la gestion des volumes d'eau du réservoir Taureau. Celle-ci, malgré les conséquences écologiques et l'évolution du cadre législatif québécois sur la question de la gestion de l'eau n'a jamais fait l'objet d'une réévaluation. La création du réservoir Taureau en 1930, et dont l'objectif immédiat est de fournir pendant la saison hivernale des volumes d'eau aux centrales situées en aval sur la rivière Saint-Maurice afin de répondre à la demande énergétique, a fortement modifié le régime hydrologique de la rivière, se caractérisant par une inversion de son régime. De plus, depuis quelques années, les rives du réservoir connaissent un développement des infrastructures récrérotouristiques, transformant ainsi le lieu en un espace de plus en plus attrayant pour les villégiateurs et touristes. En ce sens, le maintien de l'objectif premier de production énergétique peut apparaître comme un facteur limitant pour le secteur récréotouristique et pour l'intégrité écologique du cours d'eau. Le développement des connaissances en sciences de l'eau et plus précisément l'importance fondamentale de la variabilité du régime hydrologique dans l'espace et dans le temps amène à porter un nouveau regard sur les cours d'eau et leur écologie. L'aménagement des bassins versants, par la création de réservoirs, modifie cette variabilité naturelle des écoulements et par conséquent altère, à des degrés divers, l'intégrité écologique des cours d'eau. Mais face à la popularité envers les questions environnementales, l'introduction de nouveaux outils comme la gestion intégrée par bassin versant propose une nouvelle approche de gestion de l'eau non plus basée sur une démarche unique et sectorielle, mais plutôt concertée et inclusive prenant en compte, selon des critères écosystémiques, les multiples utilisations des ressources en eau. Le concept du développement durable, de par sa définition, devrait ainsi remplir parfaitement ses objectifs. C'est dans ce contexte que certaines recommandations pourront être proposées; entre autres une remontée des niveaux d'eau du réservoir plus précoce en hiver ou encore de consacrer directement une partie de la crue printanière. Cela modifiant ainsi les principes de gestion tels qu'ils sont établis pour le moment. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Régime hydrologique, Bassin versant, Gestion intégrée, Barrage Taureau, Rivière Matawin.

Dans le cadre du « Collaborative Mercury Research Network »(COMERN), la problématique de la contamination des écosystèmes boréaux par le mercure (Hg) a été abordée sous forme d'approche écosystémique. Cette approche a notamment été utilisée dans le cadre du projet dit « des lacs de la forêt boréale » pour comprendre l'origine et le devenir du Hg présent dans ces milieux. Cette thèse fait partie intégrante du volet « interaction lac -bassin versant » et a pour but de comprendre les mécanismes qui influencent l'apport de Hg des bassins versants vers les lacs. L'objectif spécifique est de déterminer pourquoi les concentrations en Hg ([Hg]) dans les sédiments récents varient entre les lacs de l'écosystème boréal. De nombreuses études démontrent que le devenir du Hg dans les écosystèmes lacustres est associé aux apports de matière organique terrigène (MOT). Pour comprendre et préciser cette interaction, une double approche a été utilisée. L'analyse de biomarqueurs spécifiques de la MOT dans les sédiments de lacs et la caractérisation des propriétés des bassins versants par système d'information géographique (SIG). Les biomarqueurs de la MOT ont été choisis car ils sont spécifiquement d'origine terrigène et procurent une information sur la source et la qualité de la MOT. Dans un premier temps et après une revue de la littérature, il est apparu nécessaire de bien définir le cadre de référence et les valeurs sources des biomarqueurs utilisés. Les biomarqueurs de la lignine obtenus par oxydation à l'oxyde de cuivre des végétaux et de matière organique partiellement décomposée sont souvent utilisés pour décrire les sources et l'état de dégradation de la matière organique terrestre (MOT). La plupart des études utilisant ces biomarqueurs font référence aux sources pures (échantillons de plantes fraîches) mais plusieurs recherches récentes démontrent que les sols jouent un rôle prépondérant sur les signatures de biomarqueurs de lignine. Il était donc nécessaire d'établir un milieu de référence plus adapté à cette problématique. Nous avons ainsi démontré que la matière organique des sols de trois grands écosystèmes terrestres du paysage boréal (tourbières et les peuplements dominés par les gymnospermes ou par les angiospermes) est caractérisée par des signatures de biomarqueurs distinctes. De plus, la pédogenèse réduit la variation des signatures de référence de ces biomarqueurs. Finalement, nous avons été en mesure de confirmer le potentiel d'utilisation des indicateurs de dégradation et d'humification de la matière organique des sols. Dans la deuxième partie de cette thèse l'influence du bassin versant sur la composition de biomarqueurs spécifiques de la MOT mesurés dans les sédiments, est analysée. La caractérisation d'un bassin versant est souvent ardue, coûteuse et longue et les biomarqueurs de la lignine représentent d'excellents indicateurs des processus qui ont lieu à l'échelle d'un bassin versant. Les systèmes d'information géographique permettent également d'intégrer et de décrire les caractéristiques morpho édaphiques des bassins versants. En combinant ces deux approches, nous avons observé une relation positive et significative entre la pente moyenne du bassin versant et les apports de MOT estimé par λ8 dans les sédiments récents (R²=0.65). La pente moyenne est également corrélée avec la composition de la MOT. En effet, les rapports P/(V+S) et 3,5Bd/V diminuent significativement avec l'augmentation de la pente moyenne (R²=0.57 and R²=0.71 respectivement). La composition de la végétation influence également la composition des sédiments des lacs étudiés. L'augmentation de la présence d'angiospermes dans le bassin versant favorise l'apport de MOT dans les sédiments de lacs tel qu'estimé par λ8 (R²=0.44). Une relation similaire est observée avec le rapport S/V, indicateur de ce type de source. Dans cette étude, nous avons donc pu déterminer: que les zones de faibles pentes jouent le rôle de zone tampon pour les apports de lignine et donc par extension sur les apports de MOT vers les sédiments lacustres et que la contribution relative de la MOT des horizons de sols organiques augmente dans les bassins versant plus escarpés. Cette étude a des implications significatives pour la compréhension du devenir de la MOT dans les écosystèmes lacustres. Dans un troisième temps nous avons caractérisé la MOT au niveau moléculaire pour déterminer précisément les conditions du transfert de Hg vers les sédiments. Quinze lacs ont été échantillonnés au Québec et au Labrador. Dans chaque lac, les sédiments récents de la zone focale du lac ont été échantillonnés et analysés en laboratoire pour déterminer la concentration en Hg total et celles des différents biomarqueurs terrigènes. Nos résultats mettent en évidence trois régions distinctes déterminées par des apports de MOT et de Hg différents. L'Outaouais et le Témiscamingue (région A) sont caractérisés par des concentrations en Hg très variables et des teneurs élevées en MOT. L'Abitibi (région B) est caractérisée par des taux de Hg intermédiaires et des teneurs de MOT très faibles. Le Labrador (région C) est caractérisé par des niveaux de Hg très faibles et des teneurs de MOT également très faibles. Dans les lacs de la région A, la variation des teneurs en Hg -est bien expliquée par l'augmentation du rapport 3,5Bd/V et la diminution du rapport C/V. Dans la région B, les sédiments sont enrichis en Hg lorsque comparés aux apports de MOT. Une contamination locale due à l'activité minière explique cet enrichissement relatif. Finalement au Labrador, la dynamique de la MOT est dominée par les gymnospermes et la végétation arbustive ou rase et induit une production primaire faible dans le bassin versant. Cette spécificité entraîne un apport très faible de Hg des bassins versants vers les lacs. Notre étude montre donc que la source et la qualité de la MOT sont déterminantes pour comprendre les variations d'apports en Hg dans les sédiments récents. Plus précisément, l'augmentation des apports de MOT dérivés des horizons humifiés des sols explique une grande part des apports de Hg dans les sédiments. Finalement, dans la partie 4 de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la problématique du cycle du Hg dans un complexe hydroélectrique boréal. En effet, la mise en eau d'un réservoir entraîne des impacts environnementaux considérables sur les écosystèmes initiaux comme la modification drastique du cycle du carbone, ainsi que celle de la dynamique des éléments nutritifs et des contaminants. Les sédiments des lacs Gabbro et Sandgirt, inondés, et du lac Atikonak ont été échantillonnés pour déterminer les sources du Hg observé dans le complexe hydroélectrique de Churchill Falls au Labrador. Les biomarqueurs de la lignine ont été utilisés comme indicateur de source de la matière organique terrigène (TOM). Dans le lac Atikonak, qui n'a pas été modifié par l'inondation, les niveaux de Hg total ([THg]) dans les sédiments ont augmenté progressivement dans le temps. Par opposition, dans les lacs Gabbro et Sandgrit inondés, des augmentations drastiques de [THg] ont été observées depuis l'inondation. Contrairement au lac Atikonak, ces augmentations de [THg] dans les lacs inondés sont associées à un changement de la nature de la MOT. À la suite de la mise en eau, la proportion de MOT dans les sédiments a augmenté significativement. La composition de la MOT montre qu'elle est également moins dégradée et présente une signature typique des horizons organiques de sols forestiers. Les résultats obtenus dans cette étude démontrent que l'augmentation de niveaux de Hg dans les sédiments de réservoir est causée par l'inondation des sols forestiers et l'érosion de leurs horizons de surface. Il est également important de remarquer que les [THg] restent élevées 38 ans après la mise en eau. En conclusion, le travail réalisé dans cette thèse permet de démontrer qu'il est possible d'intégrer des paramètres du bassin versant par l'analyse moléculaire de la matière organique terrigène. En associant des analyses moléculaires et des SIG, il est également possible de mettre en place un indicateur de la contamination des sédiments récents par le mercure. Finalement, nous confirmons le rôle primordial des versants dans l'apport de mercure vers les milieux aquatiques. Cette thèse démontre la nécessité du couplage bassin versant milieu aquatique dans les études environementales mais aussi géochimique notamment pour la compréhension des cycles des contaminants et du carbone dans ces milieux. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Bassin versant, Biomarqueur, Lignine, Matière organique, Mercure, Lac, Réservoir, Sédiment, SIG, Terrigène.

Les eaux continentales sont des sources de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2)et de protoxyde d’azote (N2O). Dans le but de préciser leur importance dans le bilan global des émissions de gaz à effet de serre (GES), de nombreuses études ont été réalisées afin de quantifier les différents flux de carbone et d’azote les parcourant. Ces flux sont perturbés par la mise en place de barrages sur le lit des fleuves. Peu d’études présentent des bilans de carbone et d’azote complets (apports, exports, flux vers l’atmosphère et enfouissement) pour les lacs de barrages, et elles concernent uniquement des écosystèmes boréaux et tempérés. Suite à la création d’un barrage, de la matière organique (MO) est mise en eau (sols et forêts), elle se dégrade rapidement les premières années suivant la mise en eau puis plus lentement par la suite. L’état de dégradation de la MO et la principale source de GES dans un lac de barrage près de 20 ans après la mise en eau sont souvent méconnus. L’étude réalisée 18 ans après la mise en eau du lac de Petit Saut (Guyane Française) est la première étude où les principaux éléments des cycles du carbone et de l’azote d’un lac de barrage hydroélectrique, et de son fleuve en aval, situé en climat équatorial et dont la création a entraîné la mise en eau de forêt primaire, sont étudiés près de 20 ans après la mise en eau. Cette étude se base sur (i) la mesure mensuelle de la qualité des eaux et des concentrations en carbone et azote en amont, dans, et en aval du lac de barrage, (ii) la mesure et/ou le calcul des différents flux de GES vers l’atmosphère, (iii) des données de la signature isotopique et de l’état de dégradation de la MO en amont, dans, et en aval du lac, (iv) des prélèvements de sédiments et de troncs d’arbres ennoyés en 1994 et (v) des incubations d’eau du fleuve, de sédiments et de troncs d’arbres du lac. L’ensemble des données collectées au cours des 12 mois de campagnes réalisées en 2012 - 2013 nous a permis de déterminer que (i) les sols inondés sont toujours des sources significatives de GES contrairement aux troncs d’arbres ennoyés, (ii) dans le lac 84 % des émissions de CH4 et 51 % des émissions de CO2 ont lieu dans la zone littorale (< 10 m de profondeur), (iii) 54 % du CO2 produit dans le fleuve en aval provient de la dégradation de la MO apportée par le lac. Cette étude nous a aussi permis de réaliser des bilans de carbone et d’azote à Petit Saut et un bilan des émissions de chacun des GES émis (CH4, CO2, N2O) près de 20 ans après la mise en eau. / Inland waters are sources of methane (CH4), carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O). In order to define their importance in the global balance of greenhouse gases (GHG) emissions, numerous studies have been conducted to quantify the different fluxes of the carbon and nitrogen browsing them. These fluxes are modified by the creation of dams on river beds. Few studies present full carbon and nitrogen balances (inputs, outputs, fluxes to the atmosphere and sequestration) for reservoirs, and they concern only boreal and temperate ecosystems. The creation of a dam floods organic matter (OM) (soils and forests), which is rapidly degraded the first years following the impoundment and thereafter more slowly. The state of degradation of the OM and the main source of GHG in a reservoir nearly 20 years after impoundment are often unknown. The study conducted 18 years after the impoundment of the Petit Saut Reservoir (French Guiana) is the first study where the main elements of carbon and nitrogen cycles of an hydroelectric reservoir, and its river downstream, located in equatorial climate and which creation resulted in the flooding of primary forest, are studied nearly 20 years after impoundment. This study is based on (i) a monthly measurement of water quality and carbon and nitrogen concentrations upstream, in, and downstream of the reservoir, (ii) measurements and/or calculations of the different fluxes of GHG through the atmosphere, (iii) data of the isotopic signature and of the state of degradation of OM upstream, in, and downstream of the reservoir, (iv) sediments and 1994’s flooded tree trunks sampling and (v) incubations of downstream river water, sediments and tree trunks from the reservoir. All the data collected during the 12 months of campaigns carried out in 2012 - 2013 allowed us to determine that (i) flooded soils are still significant sources of GHG unlike flooded tree trunks, (ii) in the reservoir 84 % of CH4 emissions and 51 % of CO2 emissions occur in the littoral zone (< 10 m depth), (iii) 54 % of the CO2 produced in the river downstream of the dam come from the degradation of the OM provided by the reservoir. This study also allowed us to achieve carbon and nitrogen balances in Petit Saut and emission balance of each GHG emitted (CH4, CO2, N2O) nearly 20 years after impoundment.