Pendant la majeure partie du Pléistocène, les régions de la Terre recouvertes de pergélisol ont été des accumulateurs nets de carbone (C) d’origine végétal et transféré au sol. L’accumulation de ce C organique dans les sols de la région de pergélisol circumpolaire nord a conduit à des stocks qui contiennent actuellement une masse C supérieure à celle qui existe dans l'atmosphère par un facteur de plus de deux. Dans le même temps, les rivières du pergélisol arctique rejettent environ 11% du flux d’eau fluvial global dans les océans, et ce dans un océan (l’Arctique) correspondant à 1% du volume d’eau total des océans et une très grande surface ce qui le rend relativement sensible aux afflux de matières dérivées des surfaces terrestres. Ce flux fluvial provient de précipitations sous forme de pluie ou de neige qui, lors du contact initial avec la surface, ont le potentiel immédiat d'interagir avec le C de l'une des deux manières suivantes: d’une part, l'eau qui coule sur des roches carbonatées ou silicatées provoquera une réaction dont le réactif nécessite l'absorption de CO2 atmosphérique, qui est ensuite transporté dans l'eau des rivières. Ce C inorganique issu de l’interaction de l’eau, de l’atmosphère et de la lithosphère représente donc un vecteur de stockage ou de «puits» du C. D’autre part, l’eau qui interagit avec la matière organique présente dans les arbres, la litière ou le sol peut dissoudre le C qu’elle contient et le transférer par les eaux de surface et souterraines dans les rivières. Ce carbone peut ensuite être métabolisée vers l’atmosphère ou exportée dans la mer. Des améliorations récentes dans la compréhension de la dynamique du C terrestre indiquent que ce transfert hydrologique de matière organique représente le devenir dominant du carbone organique, après prise en compte de la respiration des plantes et du sol. Dans le contexte du réchauffement climatique d’origine anthropique amplifié de l'Arctique, l'exposition thermique imposée au stock de pergélisol de C, associé à d'une augmentation des précipitations futures, laisse présager des changements importants dans le cycle du carbone organique et inorganique induit par les flux latéraux. Cependant, la totalité des processus impliqués rend difficile la prévision de ce changement. Partant de ce constat, cette thèse s’appuie sur les avancées antérieures en matière de modélisation du système terrestre pour inclure la production et le transport latéral de carbone organique dissous (COD), de CO2 dérivé de la respiration et d’alcalinité dérivée au sein d’un modèle global de surface terrestre développé précédemment pour résoudre spécifiquement les processus des régions boréales. Al’aide de données de pointe sur le sol, l'eau, la végétation et la climatologie pour forcer les conditions aux limites nous sommes en mesure de reproduire les processus et les flux de transport latéraux existants ainsi que faire des projections futures. Dans cette thèse, nous montrons que les exportations d'alcalinité panarctique et l'absorption du CO2 qui l'accompagne augmentent avec le réchauffement, que les flux de COD diminuent en grande partie à cause des circuits d'écoulement d'eau plus profonds dans le sol et des changements qui en résultent dans les interactions carbone-eau. Enfin, nous observons que la libération de COD dans l’Articque n’est pas linéairement liée à la temperaturre. Par conséquent, la future libération de COD dans l'Arctique peut augmenter ou diminuer avec la température en fonction des modifications de l'état thermique et des trajectoires hydrologiques dans les sols profonds. L'effet net de ces flux sur les océans est de réduire l'acidification future de l'eau de mer d'origine terrestre. Les améliorations futures apportées au modèle pour inclure des représentations du carbone particulaire, de génération de méthane, de COD pyrogénique, de subsidence de glace / surface du sol sont nécessaires pour accroître la rigueur des résultats générés par ce modèle. / For much of the Pleistocene, regions of the Earth underlain by permafrost have been net accumulators of terrestrially-fixed plant carbon (C), known as organic C, to the extent that in the present day the soils of the northern circumpolar permafrost region alone contain a C mass outweighing that which exists in the modern atmosphere by a factor of over two. At the same time, the rivers of the Arctic permafrost region discharge about 11% of the global volumetric river water flux into oceans, doing so into an ocean (the Arctic) with 1% of global ocean water volume and a very high surface area: volume ratio, making it comparatively sensitive to influxes of terrestrially derived matter. This river flux is sourced from precipitation as either rain or snow, which, upon initial contact with the landscape has the immediate potential to interact with C in one of two ways: Water running over carbonate or silicate –bearing rocks will cause a reaction whose reactant requires the uptake of atmospheric CO2, which is subsequently transported in river water. This ‘inorganic’ C derived from interaction of water, atmosphere and lithosphere thus represents a C storage or ‘sink’ vector. In addition, water interacting with organic matter in tree canopies, litter or soil can dissolve C contained therein, and transfer it via surface and subsurface water flows into rivers, whereupon it may either be metabolised to the atmosphere or exported to the sea. Recent improvements in understanding of terrestrial C dynamics indicate that this hydrologic transfer of organic matter represents the dominant fate of organic carbon, after plant and soil respiration are accounted for. In the context of amplified Arctic anthropogenic warming, the thermal exposure imposed on the permafrost C stock with expectations of enhanced future precipitation point toward substantial shifts in the lateral flux-mediated organic and inorganic C cycle. However, the complex totality of the processes involved make prediction of this shift difficult. Addressing this gap in instrumental power and theoretical understanding, this collection of studies builds upon previous advances in earth system modelling to include the production and lateral transport of dissolved organic C (DOC), respiration-derived CO2, and rock-weathering derived alkalinity in a global land surface model previously developed to specifically resolve permafrost-region processes. By subjecting the resulting model to state of the art soil, water, vegetation and climatology datasets, we are able to reproduce existing lateral transport processes and fluxes, and project them into the future. In what follows, we show that while Pan-Arctic alkalinity exports and attendant CO2 uptake increase over the 20th and 21st Centuries under warming, DOC fluxes decline largely as a result of deeper soil water flow-paths and the resulting changes in carbon-water interactions. Rather than displaying a clear continuous (linear or non-linear) temperature sensitivity, future Arctic DOC release can increase or decrease with temperature depending on changes in the thermal state and hydrologic flow paths in the deep soil. The net marine effect of these fluxes is to decrease future terrestrially derived seawater acidification. Future model improvements to include representations of particulate C, methane generation, pyrogenic DOC, peat generation, soil ice/land surface subsidence are required to increase the rigor of the results generated by these models.

Titre de l'écran-titre (visionné le 25 mars 2024) / Dans la région de Trois-Rivières au Québec, environ 4 000 édifices résidentiels et commerciaux ont développé d'importants indices d'endommagement associés à la présence de sulfures de fer (notamment de la pyrrhotite et de la pyrite) dans les particules du gros granulat utilisé dans la fabrication du béton. Cette détérioration est due à l'oxydation des sulfures de fer en particulier la pyrrhotite qui génèrent des nouveaux produits plus volumineux. Ces derniers entraînent le gonflement, la fissuration et même la désagrégation progressive du béton. Ce projet consiste à étudier une série d'échantillons de granulats à des teneurs en soufre total (S$_\textup{T}$) contrôlées pour apprécier l'impact de la proportion des sulfures de fer et tenter d'établir, par l'entremise de l'essai de consommation d'oxygène et de l'essai d'expansion sur barres de mortier, un seuil critique au-delà duquel la durabilité des infrastructures pourra potentiellement être affectée pour le granulat étudié. Des analyses chimiques ont été réalisées pour quantifier les quantités de S$_\textup{T}$ des échantillons provenant de la carrière Maskimo (MSK 0,2 et MSK 0,8) et sur le granulat de référence PKA (granulat non réactif). Ces granulats ont été mélangés par la suite jusqu'à produire des échantillons à différentes concentrations de ST (0,10 %, 0,15 %, 0,25 %, 0,50 % et 0,75 %). Le comportement nuisible potentiel de ces mélanges a ensuite été évalué par l'entremise de l'essai d'expansion sur barres de mortier et l'essai de consommation d'oxygène. L'essai de consommation d'oxygène permet d'évaluer quantitativement le potentiel d'oxydation des sulfures de fer incorporés dans les granulats à béton. Cette technique mesure le taux de consommation d'oxygène dans la partie supérieure d'un cylindre fermé contenant une couche de matériau fin compacté afin de déterminer son potentiel d'oxydation. Des paramètres optimisés pour évaluer le potentiel d'oxydation des granulats dans cet essai comprennent une taille de particules inférieure à 150 μm (50 % 0-75 μm et 50 % 75-150 μm), une saturation de 40 %, une couche de 10 cm d'épaisseur de granulats compactés et un dégagement de 10 cm dans la partie supérieure du cylindre. La durée est de trois heures après un temps de stabilisation de 30 minutes, le tout à 22 °C. L'essai d'expansion sur barres de mortier permet de suivre l'expansion des barres fabriquées avec les granulats à différentes concentrations en S$_\textup{T}$. L'essai consiste en un conditionnement de 90 jours à 80 °C/80 % humidité relative, avec deux cycles de mouillage/séchage par semaine ; un cycle de mouillage de trois heures dans une solution d'eau de javel à 6 %, et un cycle de séchage de trois jours (Phase I), suivi d'une période pouvant atteindre 90 jours et plus de conditionnement à 4 °C/100 % humidité relative (HR) (Phase II). Les deux périodes (3 heures) hebdomadaires de trempages en solution d'eau de javel à 6 % sont maintenues durant la deuxième phase de l'essai. Une analyse pétrographique (méthode de la calculette) et une analyse chimique semi-quantitative (microfluorescence-X) ont été effectuées sur des plaques polies fabriquées à partir des granulats provenant de la carrière Maskimo et de la carrière PKA pour distinguer et quantifier les sulfures de fer présents dans les particules du gros granulat. Les résultats des travaux effectués ont montré que la teneur en S$_\textup{T}$ contribue à l'augmentation du potentiel d'oxydation des mélanges testés mais elle n'explique pas à elle seule le phénomène de détérioration. La teneur en pyrrhotite est largement responsable du comportement problématique des granulats MSK étudiés. L'essai de consommation d'oxygène et l'essai d'expansion sur barres de mortier ont la capacité de refléter l'impact de la proportion des sulfures de fer, notamment la pyrrhotite, sur la détérioration du béton. Cependant, selon les travaux réalisés dans le cadre de cette étude, ces essais ne permettent pas pour le moment de déterminer précisément les teneurs seuils en pyrrhotite qu'il ne faut pas dépasser dans les granulats à béton. Une étude plus approfondie devra être effectuée sur une plus grande variété d'échantillons. Finalement, la méthode de μXRF permet de déterminer les quantités de sulfures de fer présents dans les granulats testés, même ceux qui ont une faible teneur. Par contre, la méthode pétrographique de la calculette n'a pas permis une quantification fiable des proportions des différents sulfures de fer présents dans les granulats étudiés et reste toujours subjective car elle dépend de l'expérience du pétrographe qui fait les identifications et estime visuellement les teneurs en sulfures.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La variabilité spatiale et temporelle de l’écoulement en rivière contribue à créer une mosaïque d’habitat dynamique qui soutient la diversité écologique. Une des questions fondamentales en écohydraulique est de déterminer quelles sont les échelles spatiales et temporelles de variation de l’habitat les plus importantes pour les organismes à divers stades de vie. L’objectif général de la thèse consiste à examiner les liens entre la variabilité de l’habitat et le comportement du saumon Atlantique juvénile. Plus spécifiquement, trois thèmes sont abordés : la turbulence en tant que variable d’habitat du poisson, les échelles spatiales et temporelles de sélection de l’habitat et la variabilité individuelle du comportement du poisson. À l’aide de données empiriques détaillées et d’analyses statistiques variées, nos objectifs étaient de 1) quantifier les liens causaux entre les variables d’habitat du poisson « usuelles » et les propriétés turbulentes à échelles multiples; 2) tester l’utilisation d’un chenal portatif pour analyser l’effet des propriétés turbulentes sur les probabilités de capture de proie et du comportement alimentaire des saumons juvéniles; 3) analyser les échelles spatiales et temporelles de sélection de l’habitat dans un tronçon l’été et l’automne; 4) examiner la variation individuelle saisonnière et journalière des patrons d’activité, d’utilisation de l’habitat et de leur interaction; 5) investiguer la variation individuelle du comportement spatial en relation aux fluctuations environnementales. La thèse procure une caractérisation détaillée de la turbulence dans les mouilles et les seuils et montre que la capacité des variables d’habitat du poisson usuelles à expliquer les propriétés turbulentes est relativement basse, surtout dans les petites échelles, mais varie de façon importante entre les unités morphologiques. D’un point de vue pratique, ce niveau de complexité suggère que la turbulence devrait être considérée comme une variable écologique distincte. Dans une deuxième expérience, en utilisant un chenal portatif in situ, nous n’avons pas confirmé de façon concluante, ni écarté l’effet de la turbulence sur la probabilité de capture des proies, mais avons observé une sélection préférentielle de localisations où la turbulence était relativement faible. La sélection d’habitats de faible turbulence a aussi été observée en conditions naturelles dans une étude basée sur des observations pour laquelle 66 poissons ont été marqués à l’aide de transpondeurs passifs et suivis pendant trois mois dans un tronçon de rivière à l’aide d’un réseau d’antennes enfouies dans le lit. La sélection de l’habitat était dépendante de l’échelle d’observation. Les poissons étaient associés aux profondeurs modérées à micro-échelle, mais aussi à des profondeurs plus élevées à l’échelle des patchs. De plus, l’étendue d’habitats utilisés a augmenté de façon asymptotique avec l’échelle temporelle. L’échelle d’une heure a été considérée comme optimale pour décrire l’habitat utilisé dans une journée et l’échelle de trois jours pour décrire l’habitat utilisé dans un mois. Le suivi individuel a révélé une forte variabilité inter-individuelle des patrons d’activité, certains individus étant principalement nocturnes alors que d’autres ont fréquemment changé de patrons d’activité. Les changements de patrons d’activité étaient liés aux variables environnementales, mais aussi à l’utilisation de l’habitat des individus, ce qui pourrait signifier que l’utilisation d’habitats suboptimaux engendre la nécessité d’augmenter l’activité diurne, quand l’apport alimentaire et le risque de prédation sont plus élevés. La variabilité inter-individuelle élevée a aussi été observée dans le comportement spatial. La plupart des poissons ont présenté une faible mobilité la plupart des jours, mais ont occasionnellement effectué des mouvements de forte amplitude. En fait, la variabilité inter-individuelle a compté pour seulement 12-17% de la variabilité totale de la mobilité des poissons. Ces résultats questionnent la prémisse que la population soit composée de fractions d’individus sédentaires et mobiles. La variation individuelle journalière suggère que la mobilité est une réponse à des changements des conditions plutôt qu’à un trait de comportement individuel. / Spatiotemporal flow variability contributes to create a dynamic habitat mosaic sustaining ecological diversity. One of the most important topics in ecohydraulic research is to identify the relevant scales of flow variability affecting organisms at different life stages. The general objective of the thesis is to examine the links between habitat variability and the behaviour of juvenile Atlantic salmon. More specifically, three themes are addressed: turbulence as a fish habitat variable, the spatial and temporal scales of habitat selection and individual variability in fish behaviour. Through detailed field measurements incorporating a variety of sampling techniques and statistical analyses our objectives were to: 1) Quantify the causal links between standard habitat variables and flow turbulence at multiple scales; 2) Test a new in situ portable flume to analyse the effect of turbulent flow properties on the prey capture probability and foraging behaviour of juvenile Atlantic salmon; 3) Analyse the spatial and temporal scale dependence of fish-habitat associations within a reach during the summer and autumn; 4) Examine individual variation of seasonal and daily activity patterns and habitat use and their interaction; 5) Investigate the individual variation in seasonal daily movement behaviour in relation to environmental fluctuations. The thesis provides a detailed characterization of turbulence in pools and riffles and showed that the capacity of ‘standard’ fish habitat variables to explain turbulent properties was relatively low, especially at smaller spatial scales, but varied greatly between the units. From a practical point of view, this level of complexity suggested that turbulence should be considered as a ‘distinct’ ecological variable within this range of spatial scales. In a second experiment, using an in situ portable flume and underwater videotaping of fish, we did not conclusively confirm or rule out the effect of turbulence on prey capture probability, but observed a preferential selection of locations where flow velocity was downward and turbulence intensity was lower. The selection of lower turbulence habitat was also observed in natural habitat conditions in an observational field study, in which 66 PIT-tagged fish were tracked for three months in a river reach using a high resolution network of antennas buried in the bed. Juvenile salmon habitat selection was dependant on the scale of observations. Fish were associated with moderate depth micro-scale habitats, but also with higher depth patch-scale habitats. Furthermore, the range of habitat used by individuals increased asymptotically with the temporal scale. The scale of one hour was considered as optimal to describe the range of habitats used in a day and three days optimal to describe the range of habitat used in a month. Individual tracking revealed high inter-individual variability in activity patterns, as some individuals were predominantly nocturnal whereas others frequently changed their daily activity pattern. Changes in activity patterns were linked to environmental fluctuations, but also to individual habitat use patterns, which might signify that lower quality habitats require fish to increase daytime activity when food intake and the risk of predation are both high. High inter-individual variability was also observed in the fish movement behaviour. It appeared that most fish exhibited low mobility on most days, but also showed occasional bouts of high mobility. Between-individual variability accounted for only 12-17% of the variability in the mobility data. These results challenge the assumption of a population composed of a sedentary and mobile fraction. Individual variation on a daily basis suggested that movement behaviour is a response to changing environmental conditions rather than an individual behavioural trait.

Les organismes aquatiques sont adaptés à une grande variabilité hydrique et thermique des rivières. Malgré ceci, la régulation des eaux suscite des changements aux débits qui peuvent provoquer des impacts négatifs sur la biodiversité et les processus écologiques en rivière. Celle-ci peut aussi causer des modifications au niveau des régimes thermiques et des caractéristiques de l’habitat du poisson. Des données environnementales et biologiques décrivant l’habitat du poisson existent, mais elles sont incomplètes pour plusieurs rivières au Canada et de faible qualité, limitant les relations quantitatives débit-température-poissons à un petit nombre de rivières ou à une région étudiée. La recherche menée dans le cadre de mon doctorat concerne les impacts de la génération d'hydroélectricité sur les rivières; soit les changements aux régimes hydriques et thermiques reliés à la régulation des eaux sur la variation des communautés ichtyologiques qui habitent les rivières régulées et naturelles au Canada. Suite à une comparaison d’échantillonnage de pêche, une méthode constante pour obtenir des bons estimés de poisson (richesse, densité et biomasse des espèces) a été établie pour évaluer la structure de la communauté de poissons pour l’ensemble des rivières ciblées par l’étude. Afin de mieux comprendre ces changements environnementaux, les principales composantes décrivant ces régimes ont été identifiées et l’altération des régimes hydriques pour certaines rivières régulées a été quantifiée. Ces résultats ont servi à établir la relation significative entre le degré de changement biotique et le degré de changement hydrique pour illustrer les différences entre les régimes de régulation. Pour faire un complément aux indices biotiques déjà calculés pour l’ensemble des communautés de poissons (diversité, densité et biomasse des espèces par rivière), les différences au niveau des guildes de poissons ont été quantifiées pour expliquer les divers effets écologiques dus aux changements de régimes hydriques et thermiques provenant de la gestion des barrages. Ces derniers résultats servent à prédire pour quels traits écologiques ou groupes d’espèces de poissons les composantes hydriques et thermiques sont importantes. De plus, ces derniers résultats ont servi à mettre en valeur les variables décrivant les régimes thermiques qui ne sont pas toujours inclues dans les études hydro-écologiques. L’ensemble des résultats de cette thèse ont des retombées importantes sur la gestion des rivières en évaluant, de façon cohérente, l’impact de la régulation des rivières sur les communautés de poissons et en développant des outils de prévision pour la restauration des écosystèmes riverains. / Widespread anthropogenic impacts to river ecosystems are currently changing the naturaly variability of flow and temperature regimes, with potentially important repercussions on the stability and function of aquatic communities. Although fish community responses to flow alterations from river regulation have been quantified in the past (e.g. late maturation of salmonid populations due to attenuated flows or stranding of fishes from down-ramping flows), the scarcity of high quality, long-term data, especially in Canadian rivers, has limited our understanding of the effect this has had on other environmental drivers and fish community structure across this heterogenous landscape. Using extensive field surveying across unregulated and regulated rivers in Alberta, Ontario, Québec, and New Brunswick coupled with data from national, provincial, and private flow and water temperature gauge networks, I showed the effects of flow and thermal regimes on fish diversity, density, biomass, and different types of ecological guilds. I also examined the extent to which different regulation practices have modulated the response of riverine fish to the combined effect of changes to flow and thermal regimes. To first establish a methodology for quantifying fish community structure across rivers, I generated reliable site-specific species richness, density, and biomass metrics that combined measures from two commonly used surveying methods. To then quantify the response of these fish community metrics to river regulation, I defined daily and hourly flow indices based on river flow conditions, developed hydrologic regime variables that described dominant patterns of flow variation, and calculated flow alterations based on the difference in multivariate space of these hydrologic regime variables for regulated rivers from reference flow conditions. By applying this same approach to fish community metrics, I identified a significant positive relationship between biotic and flow alterations and showed a separation between the two most distinct flow regulation types, run-of-river (ROR) and hydro-peaking. To tease apart the relative importance of each environmental driver for establishing fish communities across river regimes, I provided quantitive thermal indices based on river water temperatures and developed thermal variables akin to those described for flow regimes. To evaluate whether quantitative fish guild estimates, rather than total river biomass or density estimates, would respond more strongly to river thermal regimes, I compared the response of different types of fish guilds to flow and thermal regimes across rivers, including those subjected to river regulation. All fish guild models performed better relative to studying total river estimates, confirming the use of trait-environmental relationships for studying fish community responses across rivers. I also found that integrating thermal regimes in hydro-ecological studies is critical in predicting fish guild responses across rivers. Collectively, these findings have important repercussions for river management, as they provide comprehensive assessments of the environmental variables driving fish community responses, inform the potential range of ecological consequences of anthropogenic alterations on natural flow regimes, and contribute to establishing more transferable predictions for restoring impacted rivers. More broadly, the thesis results are important given future global climate warming, its synergistic effects with other anthropogenic stressors, and ongoing scarcity for water and energy sources.

Expériences de terrain et de laboratoire montrent que les rivières à gravier avec étendue granulométrique élevée et faible contrainte latérale, comme dans le cas des rivières à chenaux multiples, notamment les rivières en tresses, et des rivières à chenal unique avec une pleine mobilité latérale, comme les rivières à méandres, peuvent présenter simultanément variations du chenal actif à la fois dans le plan et dans la direction verticale, ainsi qu’un tri granulométrique planimétrique et vertical. En fait, les ajustements du chenal présentent une interaction complexe avec les processus de tri granulométrique: processus de transport et dépôt des mélanges de sédiments hétérogènes engendrent la formations de plusieurs motifs de tri, parmi lesquels patches qui migrent dans le chenal, notamment les sorting waves également connues sous le nom de bedload sheets. Ces sorting waves sont observées comme l’alternance des bandes de sédiments grossiers et fins dans la direction d’écoulement. Cette thèse de doctorat étudie les processus de tri granulométrique d’une distribution granulométrique bimodale à la fois dans la direction latérale et verticale avec un accent particulier sur l’étude des bedload sheets. Ce projet vise également à étudier les effets du confinement latéral sur la morphodynamique du lit de la rivière et en particulier sur les processus de tri granulométrique; et en plus, vu que le tri granulométrique joue un rôle crucial en influant sur le profil en long de la rivière, ainsi que les motifs sédimentaires et le formes du lit, étant donné le lien étroit entre la topographie du lit et la composition sédimentaire, pente, largeur du chenal actif et taux de transport des sédiments. L’analyse de ces paramètres permet de définir des feedbacks entre les variables morphologiques. Les résultats de cette étude éclairent le rôle de la contrainte latérale sur les processus de tri granulométrique et la morphodynamique du lit nu des rivières. / Field and laboratory investigations indicate that gravel bed rivers with poorly-sorted grain size distribution and low lateral confinement, such as in the case of multi-thread, braided and transitional rivers but also wandering single-thread rivers, can simultaneously present active channel variations, both in the planimetric and altimetric directions, together with planimetric and vertical sorting.Actually channel adjustments present a complex interaction with sorting processes. transport and depositional processes of heterogeneous sediment mixtures induce the formation of various sorting patterns, among which free migrating patches such as sorting waves also known as bedload sheets. Such sorting waves are mainly observed by the alternation of bands of finer and coarser material in the streamwise direction.This PhD research investigates the sorting processes of a bimodal grain size distribution both in the lateral and in the vertical direction, with particular focus on the study of bedload sheets.The main aim of this work is to investigate the effects of lateral confinement on river bed morphodynamics and in particular on grain sorting processes; and besides, given that grain sorting plays a crucial role in affecting longitudinal river profile, as well as sediment patterns and bed forms, being indeed the connection between bed topography and bed sediment composition close, we would like to provide simple theoretical analyses and tools able to predict morphodynamic bed river variations driven by sortingDifferent methodologies are applied to successfully achieve this purpose.Firstly, a deep investigation of the state of knowledge of mixed-size sediment morphodynamics, sorting processes, sorted sediment patterns and bedload sheets is carried out.Then, a 1D linear stability analysis of a uniform flow above an erodible bed composed by a bimodal mixture of sediments is performed and investigation of the associated eigenvectors, amplitude of perturbations and migrations rate is discussed. Results are presented in terms of arising instabilities dominated by sorting. Although the monodimensional shallow-water framework, the simple flow model adopted allows for the formulation of an algebraic eigenvalue problem that can be solved analytically, allowing for a deep insight into the mechanisms that drive instabilities.Then, small scale flume experiments are carried out by reproducing three different flow confinement configurations and involving a bimodal mixture of natural sediments. All the configurations show large fluctuations of parameters characterising bed system in terms of bed sediment composition, slope, active channel width and sediment transport rate. The analysis of such parameters allows defining feedbacks among morphological variables. Results of such investigations shed light on the role of lateral confinement on sorting processes and morphodynamics of barebed rivers.

Les matières organiques dissoutes (MOD) constituent un paramètre essentiel de la qualité des milieux aquatiques et du fonctionnement des écosystèmes. La production de MOD dans les sols et leur devenir lors de leur transfert dans les bassins versants ont été étudiés au cours d'expérimentation réalisées à différentes échelles, du microcosme de sol au bassin versant, à l'aide du traçage isotopique des formes stables du carbone (13C). À l'échelle du bassin versant, nous avons mis en évidence le rôle des zones humides dans la formation du carbone organique dissous (COD). Lors d'évènement de crues nous avons néanmoins observé la mobilisation de plusieurs sources de COD pour alimenter les rivières. Au cours d'expérimentations de laboratoire, nous avons démontré que le type d'essence forestière influence le devenir du carbone extractible à l'eau contenu dans les sols. La substitution de forêts natives par des plantations de Douglas diminue les apports de carbone dans le sol et les vitesses de minéralisation du carbone organique du sol lesquelles dépendent aussi de la température. Pourtant, l'évolution du carbone extractible à l'eau des sols de forêt, conditionnée par le type d'essences, ne dépend ni des vitesses de minéralisation du carbone ni de la température. Nous avons donc conclu que dans les horizons de surface des sols forestiers, le COD ne provient pas principalement de la décomposition de la matière organique du sol mais de la végétation par l'intermédiaire des lessivats de litière.

Les déficits chroniques en oxygène et l'eutrophisation, conséquence des nombreux apports résultant des activités humaines, ont été mes principales thématiques de recherche. En effet les déterminismes de ces phénomènes ou la quantification des relations de causes à effet restent mal connus. Ma méthode de travail se base sur le développement et l'utilisation de modèles mathématiques déterministes. Le nécessaire couplage avec des approches de terrain et en laboratoire a été rendu possible par mon intégration dans des programmes nationaux interdisciplinaires, PIREN SEINE et SEINE-AVAL. Le système étudié, la Seine, est un fleuve modeste pour lequel les impacts des activités humaines sont particulièrement importants. À la suite de ma thèse, mes recherches ont eu pour objectif de mieux comprendre les relations quantitatives entre les rejets urbains de temps de pluie (RUTPs) et les déficits en oxygène observés. Partant du constat que des modèles simplifiés étaient peu aptes à les caractériser, l'objectif a été d'analyser les processus responsables de ces déficits. Des mesures in situ ont été exploitées avec le modèle PROSE, développé pendant ma thèse, couplant un modèle hydrodynamique basé sur les équations de Saint-Venant avec le modèle de processus biochimiques RIVE et un modèle de transport sédimentaire en transitoire. Ainsi les déficits en oxygène immédiats sont déterminés par la charge en carbone organique dissous biodégradable (CODB) tandis que la fraction particulaire est responsable d'effets rémanents à grande échelle de temps (20 % du flux d'oxygène consommé en période estivale sur 50 km dans Paris). La mise en évidence de ce phénomène, dû aux dépôts riches en carbone organique en aval des RUTPs, est tout à fait originale. Par ailleurs une partie non négligeable du déficit en oxygène est due à la couverture nuageuse responsable d'une baisse de l'activité phytoplanctonique. Les observations montrent en outre que la fraction biodégradable du carbone organique dissous (COD) est anormalement élevée à l'amont de Paris (70 %). Le site atelier «rivières amont» du PIREN SEINE sur le Grand-Morin, nous a permis de montrer le rôle majeur de l'eutrophisation. Le résultat le plus original est que la contribution du périphyton aux flux de COD à l'exutoire du bassin est du même ordre de grandeur que les apports directs anthropiques et que le produit de la lyse du phytoplancton. La question de l'impact des rejets de l'agglomération parisienne m'a conduit à étendre mes travaux à l'estuaire dans le cadre du programme SEINE-AVAL. Ces rejets sont responsables de teneurs en carbone organique élevées dans les matières en suspension dans la zone du maximum de turbidité. Une modélisation spatialisée à l'aide du modèle SiAM3D-RIVE, a, en outre, permis de mettre en évidence des flux importants de carbone organique en provenance du milieu côtier. Les conséquences de ce phénomène sur le recyclage des éléments nutritifs et le développement de l'eutrophisation côtière doivent encore être étudiées. Le développement d'approches du fonctionnement biogéochimique des hydrosystèmes à l'échelle des bassins reste actuellement un enjeu. Pour caractériser l'évolution sur le long terme de la contamination des hydrosystèmes par les nitrates et comprendre les processus de transformation de cette variable, le modèle PROSE a été couplé à une représentation par SIG de l'occupation des sols, au modèle agronomique STICS (INRA) et à une modélisation multicouches des aquifères (modèle NEWSAM, Mines ParisTech). Le modèle couplé (CaWaQS) a été appliqué sur l'ensemble du bassin du Grand-Morin. Il a permis d'établir que les cours d'eau y sont alimentés, en moyenne et du point de vue hydrologique, à 20 % par l'Oligocène et à 80 % par l'Éocène. Les deux aquifères ont, par ailleurs, des concentrations moyennes en nitrates et des tendances d'évolution très différentes. La modélisation multicouches a permis de représenter explicitement le phénomène de contamination des cours d'eau par des aquifères ayant des niveaux de contamination différents ; ce phénomène est rarement pris en compte ce qui conduit à une mauvaise interprétation des observations et des processus. Finalement les pertes de nitrates par dénitrification ont été estimées à près de 20 % du flux de nitrate infiltré à partir de la zone sous-racinaire. Les recherches doivent se poursuivre pour spatialiser ces pertes. La chaîne de modèles SENEQUE (UMR SISYPHE)/PROSE/SiAM1D-RIVE (IFREMER/MINES PARISTECH)/ SiAM3D-ELISE (IFREMER) a par ailleurs été mise en oeuvre sur l'ensemble du bassin de la Seine afin de mettre en évidence les enjeux futurs de la gestion environnementale sur ce bassin. D'après les modèles, les désoxygénations chroniques seront fortement réduites d'ici 2015 suite à l'amélioration des traitements aux stations d'épuration ; l'eutrophisation et la maîtrise des pollutions diffuses d'origine agricole, tant pour les nitrates que pour les orthophosphates, restent par contre des enjeux importants.

Depuis les dernières décennies, l'hydroélectricité est devenue une source majeure d'électricité pour le Québec, tout en représentant une source importante d'exportation d'énergie pour cette province canadienne. Malgré le fait qu'il est de plus en plus évident que toutes les formes d'électricité ont des répercussions environnementales, les impacts cumulatifs des grands barrages hydroélectriques du nord ne sont pas bien étudiés. Il y a encore de grandes questions à aborder, particulièrement concernant les effets cumulatifs et à long terme sur les écosystèmes estuariens. Les rivières Romaine et Sainte-Marguerite se situent sur la côte-nord du Québec, et tandis que la rivière Sainte-Marguerite est déjà harnachée, des barrages sur la rivière Romaine sont présentement en construction. Les deux rivières coulent directement dans le golfe du Saint-Laurent, un écosystème marin ayant une diversité animale et végétale importante. En utilisant deux approches différentes, les études de laboratoires et les images satellites, l'objectif de cette étude était de déterminer les impacts des barrages hydroélectriques sur les écosystèmes marins. Au laboratoire, notre but était de déterminer comment le taux de croissance et la photosynthèse de deux espèces de phytoplancton d'eau douce retrouvées dans l'estuaire de la rivière Romaine sont affectés par les changements de salinité et de température. Avec l'aide d'images satellites provenant du Landsat-TM5 bande 6 et les images SeaWiFS, il a été possible d'approfondir nos connaissances quant aux changements entraînés sur l'estuaire par le barrage de la rivière Sainte-Marguerite, avant et après la mise en eau en 1998. Le taux de croissance et la photosynthèse d'Ankistrodesmus falcatus et Fragilaria crotonensis ont été affectés par une augmentation de salinité. Le taux de croissance a diminué linéairement avec l'augmentation de la salinité et une diminution significative du rendement photochimique (Φ’M) a été observé en fonction de ce dernier. La température de l'eau a aussi affecté le taux de croissance ainsi que la photosynthèse, et une interaction a été notée entre la salinité et la température. Ces résultats ont été corroborés avec les images satellites. Dans le cas de la rivière Sainte-Marguerite, nous avons déterminé que la superficie du panache diminue linéairement en fonction des débits de la rivière. En plus, il y avait une différence significative entre la biomasse de phytoplancton dans l'estuaire avant et après la construction du barrage. Les résultats suggèrent que les répercussions environnementales peuvent être importantes parce que les débits d'eau douce qui arrivent dans le golf du Saint-Laurent ont déjà diminué à cause des barrages hydroélectriques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : photosynthèse, salinité, température, fluorescence, estuaires, A. falcatus, F. crotonensis, rivière Sainte-Marguerite, rivière Romaine, hydroélectricité, Landsat-TM5, SeaWiFS, production primaire

La variabilité spatiale et temporelle de l’écoulement en rivière contribue à créer une mosaïque d’habitat dynamique qui soutient la diversité écologique. Une des questions fondamentales en écohydraulique est de déterminer quelles sont les échelles spatiales et temporelles de variation de l’habitat les plus importantes pour les organismes à divers stades de vie. L’objectif général de la thèse consiste à examiner les liens entre la variabilité de l’habitat et le comportement du saumon Atlantique juvénile. Plus spécifiquement, trois thèmes sont abordés : la turbulence en tant que variable d’habitat du poisson, les échelles spatiales et temporelles de sélection de l’habitat et la variabilité individuelle du comportement du poisson. À l’aide de données empiriques détaillées et d’analyses statistiques variées, nos objectifs étaient de 1) quantifier les liens causaux entre les variables d’habitat du poisson « usuelles » et les propriétés turbulentes à échelles multiples; 2) tester l’utilisation d’un chenal portatif pour analyser l’effet des propriétés turbulentes sur les probabilités de capture de proie et du comportement alimentaire des saumons juvéniles; 3) analyser les échelles spatiales et temporelles de sélection de l’habitat dans un tronçon l’été et l’automne; 4) examiner la variation individuelle saisonnière et journalière des patrons d’activité, d’utilisation de l’habitat et de leur interaction; 5) investiguer la variation individuelle du comportement spatial en relation aux fluctuations environnementales. La thèse procure une caractérisation détaillée de la turbulence dans les mouilles et les seuils et montre que la capacité des variables d’habitat du poisson usuelles à expliquer les propriétés turbulentes est relativement basse, surtout dans les petites échelles, mais varie de façon importante entre les unités morphologiques. D’un point de vue pratique, ce niveau de complexité suggère que la turbulence devrait être considérée comme une variable écologique distincte. Dans une deuxième expérience, en utilisant un chenal portatif in situ, nous n’avons pas confirmé de façon concluante, ni écarté l’effet de la turbulence sur la probabilité de capture des proies, mais avons observé une sélection préférentielle de localisations où la turbulence était relativement faible. La sélection d’habitats de faible turbulence a aussi été observée en conditions naturelles dans une étude basée sur des observations pour laquelle 66 poissons ont été marqués à l’aide de transpondeurs passifs et suivis pendant trois mois dans un tronçon de rivière à l’aide d’un réseau d’antennes enfouies dans le lit. La sélection de l’habitat était dépendante de l’échelle d’observation. Les poissons étaient associés aux profondeurs modérées à micro-échelle, mais aussi à des profondeurs plus élevées à l’échelle des patchs. De plus, l’étendue d’habitats utilisés a augmenté de façon asymptotique avec l’échelle temporelle. L’échelle d’une heure a été considérée comme optimale pour décrire l’habitat utilisé dans une journée et l’échelle de trois jours pour décrire l’habitat utilisé dans un mois. Le suivi individuel a révélé une forte variabilité inter-individuelle des patrons d’activité, certains individus étant principalement nocturnes alors que d’autres ont fréquemment changé de patrons d’activité. Les changements de patrons d’activité étaient liés aux variables environnementales, mais aussi à l’utilisation de l’habitat des individus, ce qui pourrait signifier que l’utilisation d’habitats suboptimaux engendre la nécessité d’augmenter l’activité diurne, quand l’apport alimentaire et le risque de prédation sont plus élevés. La variabilité inter-individuelle élevée a aussi été observée dans le comportement spatial. La plupart des poissons ont présenté une faible mobilité la plupart des jours, mais ont occasionnellement effectué des mouvements de forte amplitude. En fait, la variabilité inter-individuelle a compté pour seulement 12-17% de la variabilité totale de la mobilité des poissons. Ces résultats questionnent la prémisse que la population soit composée de fractions d’individus sédentaires et mobiles. La variation individuelle journalière suggère que la mobilité est une réponse à des changements des conditions plutôt qu’à un trait de comportement individuel. / Spatiotemporal flow variability contributes to create a dynamic habitat mosaic sustaining ecological diversity. One of the most important topics in ecohydraulic research is to identify the relevant scales of flow variability affecting organisms at different life stages. The general objective of the thesis is to examine the links between habitat variability and the behaviour of juvenile Atlantic salmon. More specifically, three themes are addressed: turbulence as a fish habitat variable, the spatial and temporal scales of habitat selection and individual variability in fish behaviour. Through detailed field measurements incorporating a variety of sampling techniques and statistical analyses our objectives were to: 1) Quantify the causal links between standard habitat variables and flow turbulence at multiple scales; 2) Test a new in situ portable flume to analyse the effect of turbulent flow properties on the prey capture probability and foraging behaviour of juvenile Atlantic salmon; 3) Analyse the spatial and temporal scale dependence of fish-habitat associations within a reach during the summer and autumn; 4) Examine individual variation of seasonal and daily activity patterns and habitat use and their interaction; 5) Investigate the individual variation in seasonal daily movement behaviour in relation to environmental fluctuations. The thesis provides a detailed characterization of turbulence in pools and riffles and showed that the capacity of ‘standard’ fish habitat variables to explain turbulent properties was relatively low, especially at smaller spatial scales, but varied greatly between the units. From a practical point of view, this level of complexity suggested that turbulence should be considered as a ‘distinct’ ecological variable within this range of spatial scales. In a second experiment, using an in situ portable flume and underwater videotaping of fish, we did not conclusively confirm or rule out the effect of turbulence on prey capture probability, but observed a preferential selection of locations where flow velocity was downward and turbulence intensity was lower. The selection of lower turbulence habitat was also observed in natural habitat conditions in an observational field study, in which 66 PIT-tagged fish were tracked for three months in a river reach using a high resolution network of antennas buried in the bed. Juvenile salmon habitat selection was dependant on the scale of observations. Fish were associated with moderate depth micro-scale habitats, but also with higher depth patch-scale habitats. Furthermore, the range of habitat used by individuals increased asymptotically with the temporal scale. The scale of one hour was considered as optimal to describe the range of habitats used in a day and three days optimal to describe the range of habitat used in a month. Individual tracking revealed high inter-individual variability in activity patterns, as some individuals were predominantly nocturnal whereas others frequently changed their daily activity pattern. Changes in activity patterns were linked to environmental fluctuations, but also to individual habitat use patterns, which might signify that lower quality habitats require fish to increase daytime activity when food intake and the risk of predation are both high. High inter-individual variability was also observed in the fish movement behaviour. It appeared that most fish exhibited low mobility on most days, but also showed occasional bouts of high mobility. Between-individual variability accounted for only 12-17% of the variability in the mobility data. These results challenge the assumption of a population composed of a sedentary and mobile fraction. Individual variation on a daily basis suggested that movement behaviour is a response to changing environmental conditions rather than an individual behavioural trait.