Au cours des dernières décennies, la communauté scientifique s’est intéressée aux impacts des changements climatiques sur plusieurs aspects de notre environnement et de notre quotidien. Le présent mémoire continue dans cette voie en analysant les conséquences du climat changeant sur l’hydrologie de la région des Grands Lacs. Plus précisément, des modèles régionaux du climat servent d’outils pour projeter, dans le XXIe siècle, des variables reliées à la disponibilité en eau de cette région. La nécessité d’une telle étude n’a besoin d’aucune argumentation lorsque l’ampleur physique et sociale que représente le territoire touché est comprise. La région des Grands Lacs s’étend sur près de 780 000 km2 et une population de plus de 40 millions v habite. De plus, l’économie sur ce territoire représente plus de 200 milliards USD annuellement (MacKav et Scglcnicks, 2013). Une compréhension plus importante des impacts potentiels des changements climatiques sur l’hydrologie des Grands Lacs est donc de mise. Le travail de recherche se concentre sur certaines variables <qi li interagissent directement avec la disponibilité en eau des lacs. On parle ici de la précipitation et de l’évaporation au-dessus des lacs et du ruissôlement à l’intérieur de leur bassin versant. Combinées, ces composantes donnent une idée du bilan hydrique qui sert à estimer le niveau d’eau d’un lac. Les premières sections mettront la table pour le Chapitre 2 qui contient un article présentant notamment les résultats les plus marquants de l’étude. Le reste de ce document couvrira d’autres aspects intéressants de l’étude qui n’ont pas été inclus dans l’article. / For décades now, the scicntific community lias been interested bv the impacts of climate change on several aspects of our environment and everyday life. The présent work continues in this trend bv assessing the conséquences on the hydrologv of the Great Lakes région. More precisely, régional climate models are used as tools to project, into the 21st century, several variables related to water availabilitv. The importance and relevance of such an analysis need no cxplaining when the physical and social scope of the studied area is understood. The Great Lakes région covers close to 780 000 km2 and is home to some 40 million people. Economi- callv, activities on this territorv are worth more than 200 billions USD each vear (MacKav et Scglcnicks, 2013). A greater understanding of the potential hydrological modifications brought upon this région bv climate change is thus undoubtedly needed. The focus of this work will be on variables that directly interact with water availabilitv of the lakes. Those are: ovcrlakc précipitation, ovcrlakc évaporation and land runoff inside the lakes’ watershed. Combined, the variables can vield an idea of the water budget in a lake and, bv the sanie token, a water level estimate. The first sections of this document will préparé the reader for Chapter 2, which contains an article presenting, aniong other things, the studv’s most interesting results. The remaining sections will cover other aspects of the studv that were not included in the article.

L’urbanisation a modifié l’occupation du territoire et, du même coup, le cycle hydrologique naturel de l’eau. Lors d’un événement pluvieux, la pluie peut difficilement infiltrer le sol qui est maintenant grandement imperméabilisé. Elle n’a d’autre choix que de ruisseler sur des surfaces qui peuvent être chargées de particules avant de gagner l’égout pluvial. Ce n’est toutefois pas ce qui se produit sur le site du Marché Public de Longueuil. Ce dernier a été conçu de manière à offrir un traitement qualitatif et quantitatif des eaux pluviales grâce à l’implantation de multiples pratiques de gestion optimales (PGO). L’objectif principal de cette étude est d’étudier la performance qualitative et hydraulique de cellules de biorétention, d’un bassin à niveau permanent et de la chaîne de traitement composée de ces deux infrastructures vertes. De plus, un accent sur les performances en climat hivernal est mis, afin de connaître l’impact des conditions climatiques des hivers québécois sur la performance des PGO. Afin d’atteindre cet objectif, une campagne d’échantillonnage et de prise de mesures a eu lieu sur une période d’approximativement douze mois. Les résultats permettent d’affirmer que les PGO sont actives et efficaces, même en hiver. On note des diminutions moyennes des concentrations grâce à la chaîne de traitement de 93% pour les matières en suspension, 74% pour la demande chimique en oxygène, 16% de l’azote total, 51% du phosphore total, 80% du plomb, 93% du zinc, 58% du cuivre et 73% des hydrocarbures; mais un relargage de sodium a été observé. Au niveau hydraulique en conditions hivernales, la biorétention a permis de diminuer les débits de pointe de 46% et de décaler ces derniers de 1h15 vers le réseau municipal. Ces résultats démontrent que les PGO permettent de faire un traitement à la source des eaux de ruissellement en plus de diminuer les débits rejetés au réseau d’égout, peu importe la température. Il serait intéressant de réaliser des projets de recherche sur d’autres agencements de PGO ou bien avec des configurations différentes. De plus, peu d’études dans la littérature ont été faites sur une longue période de temps. Étudier la performance à long terme de PGO implantées en climat québécois pourrait certainement aider à la promotion de ces infrastructures vertes

Les infrastructures de transport jouent un rôle majeur dans le développement socio-économique des régions nordiques. La construction de remblais combinés aux changements climatiques engendrent des impacts négatifs sur le pergélisol sous-jacent, causant la dégradation des infrastructures. Des techniques de mitigation ont été proposées et testées pour limiter la dégradation du pergélisol. Toutefois, il y a peu d'informations disponibles sur les procédures de conception ou sur des lignes directrices. Le but de cette recherche est de développer des outils d'ingénierie améliorés pour les techniques de stabilisation convectives, se concentrant sur le remblai à convection d'air (ACE) et le drain thermique. Plus spécifiquement, l'approche du bilan thermique est proposée pour déterminer la condition thermique de remblais conventionnels et pour permettre la sélection de la technique de mitigation la plus appropriée pour extraire la chaleur en excès transmise au sol, si le système est actuellement instable, ou pour donner un facteur de sécurité considérant une instabilité future estimée. Quatre modèles thermiques ont été développés et calibrés à partir de données mesurées sur des sites expérimentaux. Un abaque de bilan thermique pour les remblais conventionnels ainsi que plusieurs abaques de capacité d'extraction de chaleur pour l'ACE et le drain thermique ont été développés et validés utilisant, respectivement, des simulations numériques et les données de sites d'essais du Yukon et du Nord du Québec, Canada. Ces abaques permettent aux concepteurs et ingénieurs de concevoir des remblais à convection d'air et des drains thermiques optimisés pour limiter, ou même éviter, le dégel du pergélisol à des sites spécifiques. / Transportation infrastructure plays a vital role in the social and economic development of northern regions. The construction of embankments and climate change can lead to negative impacts on the underlying permafrost, causing degradation of the infrastructure. Mitigation techniques have been proposed and tested to limit permafrost degradation. However, there is limited information on the design procedures or guidelines. The purpose of this research is to develop improved engineering tools for convective stabilization techniques, focussing on air convection embankment (ACE) and heat drain. More specifically, the heat balance approach is proposed to determine the thermal condition of conventional embankments and to allow the selection of suitable mitigation techniques to extract the amount of extra heat flowing into the foundation, if the system is currently unstable, or give a safety factor considering estimated future instability. Four thermal models have been built and calibrated with field data from experimental sites. One heat balance chart for conventional embankments and, several heat extraction capacity charts for ACE and heat drain have been developed using numerical simulations and have been validated using data from test sites in Yukon and Northern Quebec, Canada. These charts allow designers and engineers to design optimized ACE and heat drain to limit or even avoid the thawing of permafrost at specific sites.

Depuis quelques décennies, les lacs de villégiature au Québec sont exposés à une problématique de transport de sédiments. De nombreuses sources de sédiments peuvent participer à ces apports vers les plans d’eau. Dans le cadre de ce projet de recherche, en collaboration avec la municipalité d’Adstock, les objectifs sont d’identifier la source principale de sédiments qui envase le lac à la Truite et d’élaborer une méthodologie d’implantation de solutions de gestion des eaux pluviales spécifiques au bassin versant à l’étude, permettant de restreindre ce transport de sédiments. Cette implantation doit considérer les contraintes socio-économiques et légales auxquelles la municipalité est confrontée. La source principale de sédiments provient du revêtement de la chaussée du chemin J.-E. Fortin (chemin non pavé, ceinturant la majorité du périmètre du lac). Les résultats démontrent, en effet, des concentrations pondérées par les niveaux d’eau presque deux fois plus élevées pour les sous-bassins versants (SBV) de faible pente et de faible superficie (SBV 7 et 17), attribuables à un impact plus important du lessivage du revêtement sur le ruissellement par rapport à celui provenant du cours d’eau forestier que pour les SBV ayant une superficie et une pente supérieures (SBV 15 et 24). Ces derniers SBV diluent davantage les apports en sédiments de la chaussée malgré un taux d’érosion du couvert forestier plus élevé, confirmant l’impact considérable du chemin sur ces concentrations pondérées. Un autre indice permet d’attester l’influence du ruissellement du revêtement sur la qualité de l’eau des affluents au lac, soit la comparaison entre les concentrations en matières en suspension (MES) (récoltées lors de l’événement du 8-9 août 2018) d’un point d’échantillonnage situé en amont de la chaussée et d’un autre situé en aval du chemin, considérant à la fois le ruissellement du chemin et celui du cours d’eau en forêt. Les résultats démontrent une augmentation de 48 % des concentrations pour le SBV 15 et de 117 % pour le SBV 17 entre les deux points d’échantillonnage. Les observations sur le terrain pendant les événements pluvieux témoignent également d’une forte turbidité provenant du drainage du chemin. Les solutions proposées ciblent le drainage du chemin J.-E. Fortin et la protection des pentes sensibles à l’érosion. Des solutions de gestion des eaux pluviales pourraient également être appliquées à l’ensemble du bassin versant, permettant de diminuer les débits de pointe des SBV critiques pouvant accentuer l’érosion des cours d’eau forestiers, de l’infrastructure routière et des affluents au lac.

La forêt boréale recouvre 30% de la surface du Canada et 14% de la surface émergée de la terre. Les changements climatiques vont fortement l’affecter, et ces écosystèmes vont significativement impacter la climatologie et l’hydrologie mondiale avec des échanges importants d’eau, d’énergie et de carbone entre le sol et l’atmosphère. Il est maintenant crucial de bien comprendre le bilan d’énergie de surface sur ce biome pour efficacement prévoir son comportement et son évolution dans un climat changeant. Beaucoup d’études ont analysé le bilan d’énergie de la forêt boréale, mais des lacunes importantes subsistent : il y a peu d’études en terrain non plat, ou dans des zones recevant d’importantes précipitations, ou encore avec des mesures à des échelles spatiales variées, et encore moins des combinaisons de ces trois possibilités. Le principal but de cette thèse est d’attaquer ces lacunes de front en offrant l’analyse du bilan d’énergie et de l’évapotranspiration d’une forêt boréale humide couvrant une topographie prononcée, et ce à plusieurs échelles spatiales (point : ~m²; locale : ~ha; régionale : ~km²). Les résultats sont principalement basés sur une campagne de mesures ayant cours à la forêt Montmorency de l’Université Laval, à 80 km au nord de Québec, Canada. La forêt est une sapinière à bouleau blanc avec des arbres à divers degrés de maturité. Là, deux tours à flux mesurant tous les termes du bilan d’énergie sont installés depuis l’automne 2015. Trois objectifs spécifiques sont associés à trois échelles spatiales de mesure ou de modélisation dans un gradient allant de l’échelle ponctuelle vers l’échelle régionale. Dans un premier objectif, l’hétérogénéité spatiale du couvert forestier est caractérisée par des mesures de rayonnement solaire sous-canopée. Ensuite, l’évaluation de la densité de végétation permet de paramétrer un schéma de surface pour obtenir la variabilité de l’évapotranspiration et de ses composantes. Les résultats montrent que même si la transmission du rayonnement est très variable de point en point (entre 7% et 69% sur toute la saison), une moyenne spatiale à l’échelle locale représente bien la zone. Les résultats de modélisation indiquent qu’une forêt plus dense cause légèrement plus d’évapotranspiration totale, car elle évapore plus de précipitations interceptées et transpire plus. Une forêt plus dense évapore toutefois moins d’eau au sol, ce qui peut mener à une humidité du sol accrue dans des conditions de sécheresse momentanée. / Dans le deuxième objectif, l’impact de fortes précipitations sur le bilan d’énergie à l’échelle locale et l’évapotranspiration en forêt boréale est évalué. Pour ce faire, le site principal de la forêt Montmorency est d’abord comparé avec 13 sites en forêt boréale dans le monde sur la base du bilan d’énergie et de l’évapotranspiration. La forêt Montmorency est le site qui reçoit le plus de précipitations avec ~1600 mm a⁻¹. Pour tous les sites, la précipitation reçue est liée à l’évapotranspiration annuelle, et c’est aussi le site principal qui a la plus forte évapotranspiration, avec ~550 mm a⁻¹. Grâce à des mesures précises des débits sortants du bassin versant de 3.5 km² contenant les sites de mesure, le bilan hydrique est clairement établi : l’eau excédentaire provenant des précipitations est principalement évacuée par des débits sortants dans les cours d’eau du bassin versant, à une hauteur de ~1050 mm a⁻¹. Pour le troisième objectif, la méthode de la scintillométrie à deux longueurs d’onde est testée sur le site d’étude et ses mesures du bilan d’énergie à l’échelle régionale sont comparées à celles à l’échelle locale. Les scintillomètres sont installés à travers une vallée où est également présente une des deux tours à flux. Les faisceaux électromagnétiques parcourent 1347 m à une hauteur variant entre 5 et 100 m et une hauteur efficace de 88 m. Les résultats montrent que les deux montages expérimentaux ont une faible concordance au niveau des paramètres de structure météorologiques, mais une concordance plus qu’acceptable au niveau des flux turbulents. Pour ces derniers, la corrélation entre les scintillomètres et la tour à flux est optimale lorsque les faisceaux électromagnétiques sont entièrement inclus dans la couche de surface atmosphérique. Cependant, comme la hauteur des faisceaux est hautement variable, ceux-ci se retrouvent la plupart du temps en partie dans la couche de surface atmosphérique, ce qui mène à une corrélation tout de même acceptable dans ces circonstances. Néanmoins, les mesures des scintillomètres sont souvent de qualité douteuse lors des périodes nocturnes et lorsque l’atmosphère est stable. En bref, la forêt boréale étudiée exhibe un bilan d’énergie et une évapotranspiration significativement différents d’autres sites dans des biomes semblables recensés dans la littérature. Cette thèse apporte des précisions importantes sur ce type d’environnement. De plus, la thèse offre des outils méthodologiques rigoureux pour évaluer le bilan d’énergie à diverses échelles spatiales et élabore sur le passage entre ces échelles, une contribution à ne pas négliger pour les modélisateurs hydrologiques et du climat au Canada et dans le monde. / For the third objective, the two-wavelength scintillometry method is evaluated at the study site and its regional energy balance measurements are compared to those at the local scale. The scintillometers are installed across a valley where one of the two flux towers is localized. The scintillometers’ electromagnetic beams travel 1347 m at a height varying between 5 and 100 m and an effective height of 88 m. The results show that the two experimental systems have a low agreement in terms of the meteorological structure parameters, but a more than acceptable agreement for the turbulent fluxes. For the latter, the correlation between scintillometers and flux tower is optimal when the electromagnetic beams are entirely included in the atmospheric surface layer. However, since the beam height is highly variable, they are more often than not partially present in the atmospheric surface layer anyway, which leads to a correlation that is still acceptable in these circumstances. However, measurements of scintillometers are often unrealistic during nocturnal periods and when the atmosphere is stable. In short, the studied boreal forest exhibits an energy balance and evapotranspiration significantly different from other sites in similar biomes referenced in the literature. This thesis provides important details on this type of environment. In addition, the thesis offers rigorous methodological tools to assess the energy balance at various spatial scales and elaborates on the possibility of upscaling and/or downscaling results, a contribution not to be overlooked for hydrological and climate modelers in Canada and around the world. / The boreal forest covers 30% of Canada's surface and 14% of the earth's land surface. Climate change will severely affect it, and these ecosystems will in turn impact climate and global hydrology with significant exchanges of water, energy and carbon between the soil and the atmosphere. It is now crucial to understand the surface energy balance of this biome to effectively predict its behavior and evolution in a changing climate. Many studies have analyzed the energy balance of the boreal forest, but significant gaps remain: there are little studies in non-flat terrain, or in areas receiving significant rainfall, or with measurements at various spatial scales, let alone combinations of these three possibilities. The main aim of this thesis is to fill these gaps with a rigorous analysis of the energy balance and evapotranspiration of a boreal forest covering a pronounced topography, and this at several spatial scales (point: ~m², local: ~ha, regional: ~km²). The results are mainly based on a measurement campaign taking place at the Montmorency Forest of Université Laval, 80 km north of Québec, Canada. The forest is a balsam fir – white birch forest with trees of varying degrees of maturity. There, two flux towers are measuring all the energy balance terms since autumn 2015. Three specific objectives are associated with three spatial scales of measurement or modeling in a gradient from the point scale to the regional scale. In a first objective, the spatial heterogeneity of the forest cover is characterized by sub-canopy solar radiation measurements. Then, the vegetation density evaluation makes it possible to parameterize a land-surface scheme to obtain the variability of the evapotranspiration and its components. The results show that even though the transmission of radiation is highly variable from point to point (seasonal average between 7% and 69%), a spatial average at the local scale represents the area quite well. Modeling results indicate that a denser forest causes slightly more total evapotranspiration because it evaporates more intercepted precipitation and generates more transpiration. A denser forest, however, evaporates less water on the ground, which can lead to increased soil moisture under conditions of momentary drought. In the second objective, the impact of heavy rainfall on the local energy balance and evapotranspiration in the boreal forest is evaluated. To do this, the main site of Montmorency Forest is first compared with 13 boreal forest sites around the world on the basis of energy balance and evapotranspiration. The Montmorency Forest is the site receiving the most rainfall with ~1600 mm y⁻¹. For all sites, the precipitation received is positively related to annual evapotranspiration, which means the main site has the highest evapotranspiration rates, with ~550 mm y⁻¹. With accurate measurements of the outflow from the 3.5 km² watershed containing the Montmorency Forest measurement sites, the water balance is clearly established: excess water from precipitation is mainly discharged through outflows of the watershed, to an extent of ~1050 mm y⁻¹.

En juillet 2013, une urgence environnementale a eu lieu dans la municipalité du Lac-Mégantic en Estrie, à la suite d’un déraillement d’un train qui transportait du pétrole. Ce déraillement a provoqué des explosions et des incendies dans le centre-ville. Près de 100 000 litres de pétrole ont réussi à atteindre le Lac-Mégantic et la rivière Chaudière. À la suite de cet accident, plusieurs interventions ont été mises en place afin de limiter les dégâts et l’élaboration de ce projet de maîtrise découle de cette catastrophe. Un des objectifs poursuivis était d’améliorer la prise de décisions des différents intervenants en cas de déversement de substances en milieu aquatique. En générant des modèles de suivi du pétrole, cela pourrait les aider dans leurs prises de décisions. Par exemple, pour décider du moment de la fermeture des prises d’eau potable des villes et des industries ou encore pour l’installation des estacades pour confiner le pétrole. Pour développer ce modèle de transport de polluants dans la rivière Chaudière, le logiciel HEC-RAS et son module de qualité de l’eau, ont été utilisés. Le modèle développé tient compte uniquement de la dispersion longitudinale puisque le temps entre le moment du déversement et le déploiement des intervenants sur le lieu serait suffisamment grand pour que le pétrole se situe dans la zone du champ lointain et, conséquemment, les concentrations des polluants seraient homogènes. La zone du champ lointain correspond à la zone pour laquelle il ne reste plus que de la dispersion longitudinale puisque la diffusion verticale et transversale est terminée. Les paramètres nécessaires pour réaliser cette modélisation sont la période de simulation, la concentration initiale du polluant, la masse de pétrole déversé, les conditions limites, les types d’équations de croissance (passif ou actif) et le coefficient de dispersion. Ce dernier paramètre a été déterminé expérimentalement afin de choisir parmi les nombreuses équations empiriques existantes laquelle permettrait d’obtenir un coefficient proche de la valeur expérimentale obtenue soit de 4,37 m2/s. Ces équations considèrent les aspects naturels du milieu pour lesquels elles ont été créées et c’est l’équation de Li et al. 1998 (1) qui a été retenue pour le modèle. Une fois l’ensemble des paramètres connus et obtenus de la littérature, plusieurs scénarios de déversements pour différents débits ont été simulés pour valider le modèle. Des courbes de concentration du pétrole en fonction du temps à différents endroits sur la rivière Chaudière ont été obtenues, ainsi que les temps de séjour moyens du pétrole. Avec ce modèle, il a été déterminé que le pétrole prendrait 161,8 h pour atteindre le pont de Saint-Lambert-De-Lauzon pour un débit d’étiage de 3,8 m3/s et prendrait 33,2 h pour un débit de crue de 183,4 m3/s. De plus, avec ce modèle le moment pour lequel le pétrole atteindra la prise d’eau potable de Sainte-Marie pourrait être connu. La température de l’eau est un paramètre qui intervient dans les différents processus de transformation des contaminants lors de déversement. Par contre, ce paramètre n’a pas pu être pris en compte avec le logiciel HEC-RAS. En complément à ce modèle de transport du pétrole et en préparation pour le développement d’un modèle plus complexe, la modélisation du régime thermique de la rivière Chaudière a été réalisée. Cette modélisation a été conçue en utilisant une régression linéaire multiple, ainsi que les données issues de sondes de température ONSET HOBO U20 0-4M. Ces sondes ont été installées à neuf endroits sur la rivière pour la période allant du 19 septembre au 22 octobre 2017. Les données pour établir la relation linéaire avec celle de la température de l’eau sont : la température de l’air, la température de l’air de la veille (°C), la température de l’air de l’avant-veille (°C), le débit (m3/s) et le temps (jours). Les coefficients de détermination obtenus lors de cette modélisation se situent entre 83 % et 98 % pour l’ensemble des sites et l’erreur quadratique moyenne se situe entre 0,55 et 0,97. Par la suite, une corrélation a été établie entre les équations de régression de la rivière Etchemin et de la rivière Chaudière. Une fois cette corrélation établie, la régression linéaire annuelle pour la rivière Etchemin a été modifiée pour tenir compte de cette corrélation. En tout, dix-huit équations ont été obtenues pour prédire la température de l’eau à différents endroits sur la rivière Chaudière, et ce, pour différentes périodes de l’année.