Cette thèse examine les impacts sur la morphologie des tributaires du fleuve Saint-Laurent des changements dans leur débit et leur niveau de base engendrés par les changements climatiques prévus pour la période 2010–2099. Les tributaires sélectionnés (rivières Batiscan, Richelieu, Saint-Maurice, Saint-François et Yamachiche) ont été choisis en raison de leurs différences de taille, de débit et de contexte morphologique. Non seulement ces tributaires subissent-ils un régime hydrologique modifié en raison des changements climatiques, mais leur niveau de base (niveau d’eau du fleuve Saint-Laurent) sera aussi affecté. Le modèle morphodynamique en une dimension (1D) SEDROUT, à l’origine développé pour des rivières graveleuses en mode d’aggradation, a été adapté pour le contexte spécifique des tributaires des basses-terres du Saint-Laurent afin de simuler des rivières sablonneuses avec un débit quotidien variable et des fluctuations du niveau d’eau à l’aval. Un module pour simuler le partage des sédiments autour d’îles a aussi été ajouté au modèle. Le modèle ainsi amélioré (SEDROUT4-M), qui a été testé à l’aide de simulations à petite échelle et avec les conditions actuelles d’écoulement et de transport de sédiments dans quatre tributaires du fleuve Saint-Laurent, peut maintenant simuler une gamme de problèmes morphodynamiques de rivières. Les changements d’élévation du lit et d’apport en sédiments au fleuve Saint-Laurent pour la période 2010–2099 ont été simulés avec SEDROUT4-M pour les rivières Batiscan, Richelieu et Saint-François pour toutes les combinaisons de sept régimes hydrologiques (conditions actuelles et celles prédites par trois modèles de climat globaux (MCG) et deux scénarios de gaz à effet de serre) et de trois scénarios de changements du niveau de base du fleuve Saint-Laurent (aucun changement, baisse graduelle, baisse abrupte). Les impacts sur l’apport de sédiments et l’élévation du lit diffèrent entre les MCG et semblent reliés au statut des cours d’eau (selon qu’ils soient en état d’aggradation, de dégradation ou d’équilibre), ce qui illustre l’importance d’examiner plusieurs rivières avec différents modèles climatiques afin d’établir des tendances dans les effets des changements climatiques. Malgré le fait que le débit journalier moyen et le débit annuel moyen demeurent près de leur valeur actuelle dans les trois scénarios de MCG, des changements importants dans les taux de transport de sédiments simulés pour chaque tributaire sont observés. Ceci est dû à l’impact important de fortes crues plus fréquentes dans un climat futur de même qu’à l’arrivée plus hâtive de la crue printanière, ce qui résulte en une variabilité accrue dans les taux de transport en charge de fond. Certaines complications avec l’approche de modélisation en 1D pour représenter la géométrie complexe des rivières Saint-Maurice et Saint-François suggèrent qu’une approche bi-dimensionnelle (2D) devrait être sérieusement considérée afin de simuler de façon plus exacte la répartition des débits aux bifurcations autour des îles. La rivière Saint-François est utilisée comme étude de cas pour le modèle 2D H2D2, qui performe bien d’un point de vue hydraulique, mais qui requiert des ajustements pour être en mesure de pleinement simuler les ajustements morphologiques des cours d’eau. / This thesis investigates the impacts of climate-induced changes in discharge and base level on the morphology of Saint-Lawrence River tributaries for the period 2010–2099. The selected tributaries (Batiscan, Richelieu, Saint-Maurice, Saint-François and Yamachiche rivers) were chosen because of their differences in size, flow regime and morphological setting. Not only will these tributaries experience an altered hydrological regime as a consequence of climate change, but their base level (Saint-Lawrence River water level) will also change. A one-dimensional (1D) morphodynamic model (SEDROUT), originally developed for aggrading gravel-bed rivers, was adapted for the specific context of the Saint-Lawrence lowland tributaries in order to simulate sand-bed rivers with variable daily discharge and downstream water level fluctuations. A module to deal with sediment routing in channels with islands was also added to the model. The enhanced model (SEDROUT4-M), which was tested with small-scale simulations and present-day conditions in four tributaries of the Saint-Lawrence River, can now simulate a very wide range of river morphodynamic problems. Changes in bed elevation and bed-material delivery to the Saint-Lawrence River over the 2010–2099 period were simulated with SEDROUT4-M for the Batiscan, Richelieu and Saint-François rivers for all combinations of seven tributary hydrological regimes (present-day and those predicted using three global climate models (GCM) and two greenhouse gas emission scenarios) and three scenarios of how the base level provided by the Saint-Lawrence River will alter (no change, gradual decrease, step decrease). The effects on mean annual sediment delivery and bed elevation differ between GCM and seem to be related to whether the river is currently aggrading, degrading or in equilibrium, which highlights the importance of investigating several rivers using several climate models in order to determine trends in climate change impacts. Despite the fact that mean daily discharge and mean annual maximum discharge remain close to their current values in the three GCM scenarios for daily discharge, marked changes occur in the mean annual sediment transport rates in each simulated tributary. This is due to the important effect of more frequent large individual flood events under future climate as well as a shift of peak annual discharge from the spring towards the winter, which results in increased variability of bed-material transport rates. Some complications with the 1D modelling approach to capture the complex geometry of the Saint-Maurice and Saint-François rivers suggest that the use of a two-dimensional (2D) approach should be seriously considered to accurately simulate the discharge distribution at bifurcations around islands. The Saint-François River is used as a test case for the 2D model H2D2, which performs well from a hydraulics point of view but which needs to be adapted to fully simulate morphological adjustments in the channel.

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La végétation aquatique submergée (VAS) est une composante essentielle qui structure les écosystèmes aquatiques continentaux. Elle soutient plusieurs fonctions et services écosystémiques, dont le soutien d’habitats pour la faune, la stabilisation du rivage, le maintien d’une eau claire et la régulation des cycles des nutriments. Cependant, la VAS est soumise aux activités humaines qui modifient leur habitat, altère leur quantité et menacent le maintien de ces services. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre comment les quantités de la VAS répond aux variations environnementales et quels sont les effets de ces modifications sur les fonctions et services qu’elle soutient. Cet objectif est abordé de différents angles d’attaque et à différentes échelles spatiales et temporelles. Tout d’abord, une nouvelle méthode permettant des économies de temps et d’argent pour mesurer la biomasse de la VAS est proposée. À l’aide de deux modèles de calibration, la méthode combine trois techniques existantes couramment utilisées pour estimer la biomasse de la VAS : le prélèvement de biomasse dans des quadrats en plongée, le prélèvement à l’aide d’un râteau manié depuis la surface et l’échosondage à partir d’une embarcation. Cette approche offre l’avantage de limiter l’utilisation risquée et fastidieuse du quadrat avec plongeur, mais fournissant la mesure de biomasse la plus fiable. La première calibration avec le quadrat permet d’utiliser le râteau et corrige son biais, alors que la deuxième calibration entre râteau et échosondage convertit les valeurs mesurées par cette dernière en biomasse. L’utilisation de l’échosondage permet ainsi d’estimer plus rapidement la biomasse à grande échelle. La méthode est validée à partir de données d’échosondage qui sont confrontées avec des biomasses par quadrat, démontrant la robustesse de l’approche. Ensuite, les variations climatiques interannuelles et leurs effets sur la rétention de l’azote ont été évalués pendant six étés dans un herbier aquatique à la confluence de deux tributaires agricoles avec le fleuve Saint-Laurent. Des budgets d’azote journalier ont été estimés par la différence entre les concentrations modélisées de nitrate dans les tributaires et les concentrations sortantes de l’herbier mesurées par une sonde à haute fréquence. La rétention totale a été partitionnée en assimilation autotrophe et en dénitrification à partir de la variation diurne en nitrate. Les budgets ont été confrontés à un indice de biomasse de VAS, la pente de la surface du niveau de l’eau, qui a révélé un portrait détaillé de l’évolution de la biomasse au cours de la saison de croissance. Les résultats montrent que la rétention est influencée par les variations de niveau de l’eau, de température, de biomasse de la VAS et d’apports en nitrate. De hauts taux de consommation de nitrate sont rapportés, parmi les plus élevés mesurés en rivière, avec une biomasse accrue de plantes accrue favorisant l’élimination permanente par la dénitrification. Enfin, une synthèse sur les tendances, les facteurs globaux déterminant les quantité de VAS dans les lacs ainsi que comment les quantité y ont été mesurées est présentée. La compilation a été effectuée à l’aide d’une recherche par mot clés réalisée sur une base de données bibliographiques. La synthèse montre un portrait dynamique dans le temps et dans l’espace des quantités de VAS. Bien que les déclins de quantités soient prédominants, plusieurs séries temporelles récentes indiquent une récupération de la VAS, patrons qui varient selon les régions et les activités humaines. Les usages dans les bassins versants liés à l’eutrophisation sont associés aux déclins, particulièrement en Asie, alors que les augmentations sont surtout associées à la gestion de la VAS en Europe. Les tendances plus variables en Amérique du Nord sont associées à l’arrivée d’espèces envahissantes. Cette thèse innove en fournissant une nouvelle méthode qui facilite la mesure de la biomasse de la VAS à grande échelle. Elle contribue également aux connaissances sur la VAS et le cycle de l’azote en grande rivière en caractérisant la variation de la rétention de nitrate et en soulignant leur important rôle comme site de transformation dans ces écosystèmes. Finalement, elle contribue à la biogéographie de la VAS continentale dans les lacs, indique des lacunes de connaissance, souligne les développements méthodologiques souhaitables et informe sur l’influence de facteurs expliquant la variation de la VAS qui seront utiles pour sa gestion future. Ces informations seront profitables au maintien des fonctions et services soutenus par la VAS et à son utilisation comme une solution fournie par la nature face aux changements globaux. / Submerged aquatic vegetation (SAV) is an essential component that structures inland waters. SAV sustains numerous ecosystem services and functions, such as providing habitat for fauna, stabilizing shoreline, maintaining clear water and regulating nutrient cycles. However, SAV is submitted to human activities that modify their habitat, alter their quantities and threaten the ecosystem services they may provide. The objective of this thesis is to better understand how SAV quantities responds to environmental variations, and what are the effect of these modifications on the functions and services they sustain. This objective is approached in different ways and at various spatial and temporal scales. First, a new cost-effective method to measure SAV biomass is proposed. The method combines three existing techniques by means of two calibration models. This approach has the advantage of reducing the hazardous and cumbersome use of quadrats with divers, whilst providing the most accurate biomass measure. The first calibration with the quadrat allows for the application of the rake and corrects for its bias, while the second calibration between rake and echosounding converts the values measured by the latter into biomass. The use of echosounding thus allows for the estimation of biomass more rapidly at larger scale. The method is validated from echosounding data that are compared to quadrat biomasses, demonstrating the robustness of the approach. Second, interannual climate variation and their effect on nitrogen retention were evaluated during six summers in a SAV meadow at the confluence zone of two agricultural tributaries with the Saint Lawrence River. Daily nitrogen budgets were estimated as the difference between modelled nitrate concentration in the tributaries and concentration outflowing the SAV meadow measured with a high frequency sensor. Total retention was partitioned into autotrophic assimilation and denitrification from the diel nitrate variation. The budgets were compared to an indicator of SAV biomass, the slope of water level surface, which provided a detailed portrait of biomass changes throughout the growing season. The results show that retention is influenced by variation in water levels, temperature, SAV biomass and nitrate inputs. Among the highest nitrate uptake rates are reported compared to previous measurements in inland waters, with plant biomass favoring permanent removal through denitrification. Third, a synthesis on trends and drivers of SAV quantities in lakes, as well as on how it was measured is presented. The compilation was conducted from a keyword search on a bibliographic database. The synthesis shows a dynamic depiction in space and time of SAV quantities. Although decreasing quantities are predominant, many recent time series indicate SAV recovery, and these patterns vary with regions and human activities. Direct activities in watersheds leading to eutrophication are associated with decreases, particularly in Asia, while increases are more associated with SAV management in Europe. Trends are more variable in North America due to invasive species. This thesis innovates by providing a new method facilitating SAV biomass measurement at large scale. The thesis also contributes to knowledge on SAV and on nitrogen cycling in large rivers by characterizing the variation in nitrate retention. Finally, the thesis contributes to inland SAV biogeography, identifies knowledge gaps, indicates desirable methodological developments and informs on drivers of SAV that could inform its future management. This information will be beneficial for the preservation of the ecosystem services and functions provided by SAV and its use as a nature-based solution against global changes.