Th. 3e cycle--Géogr. phys.--Caen, 1987.

Th. doct.-ing.--Méc. des fluides--Toulouse--I.N.P., 1980. N°: 109.

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

Sous l’initiative de l’Université Laval, un projet collaboratif a été mis sur pied afin de répondre au besoin des municipalités régionales de comté (MRC) d’avoir un outil pour les aider à procéder à la création d’un plan d’action face à la gestion et l’aménagement de leurs cours d’eau. Ce projet, qui inclut la participation de l’Université de Concordia et l’Institut de Recherche et Développement en Agroenvironnement (IRDA), a comme objectif de développer un outil informatique qui permet d’effectuer des analyses de cours d’eau pour identifier les zones problématiques potentielles. Dans ce cadre, le projet de maîtrise a consisté à participer au développement du progiciel. Les objectifs du projet de maîtrise ont été de supporter le projet en effectuant une revue de littérature, de participer à son développement, de valider que le progiciel puisse bien diagnostiquer certaines problématiques d’un cours d’eau et, finalement, de valider les méthodes de traitements répertoriés. Supporté par la revue de littérature, le progiciel développé est constitué de onze outils qui permettent de produire les éléments nécessaires à l’analyse des cours d’eau. De ces onze outils, dix ont été supportés (testés et documentés) et un a été complètement développé dans le cadre du projet de maîtrise pour intégrer l’outil «Qmax_PBV» qui permet de calculer les débits maximaux. Les données produites par le progiciel nous confirment la possibilité d’effectuer un diagnostic d’un bassin versant agricole. À partir des données du progiciel, les différents profils transversaux ont été caractérisés soit comme les profils stables, ceux qui s’érodent ainsi que ceux qui présentent de la sédimentation. De cette caractérisation, les observations notées sur le terrain ont été confirmées. Finalement, la méthode d’extraction des profils transversaux qui a été utilisée dans l’un des outils du progiciel a été validée dans le cadre du projet. La méthode de définir des profils transversaux à partir de relevés LiDAR (Roelens et al., 2016) avait été développée avec des LiDAR de densité de 16 pts/m2. L’objectif a été de définir s’il est possible de l’appliquer avec un LiDAR d’une densité de 1pt/m2. L’évaluation qualitative de 21 profils nous a permis de déterminer que la largeur minimale de la zone d’échantillonnage de points LiDAR considérée comme convenable pour l’obtention des profils est de 6 m.

Le réchauffement accéléré de l'Arctique mène à une débâcle de plus en plus hâtive de la banquise. La morue arctique (Boreogadus saida), une espèce pivot du réseau trophique, semble déjà répondre au rallongement de la période libre de glaces. Particulièrement, la plus forte productivité de l'écosystème, l'abondance de proies et les températures optimales associées à une débâcle hâtive contribueraient au recrutement automnal des jeunes morues en accélérant leur croissance larvaire et juvénile. Par la dissection de plus de 300 contenus stomacaux de larves et juvéniles de morues arctiques d'une variété d'écorégions, j'ai testé : 1) si les morues arctiques profitent de ces conditions optimales afin d'augmenter leur succès alimentaire lors d'une débâcle hâtive; 2) si les morues arctiques d'âge-0 ont un meilleur succès alimentaire lorsqu'elles consomment des proies plus nutritives d'origine typiquement Arctique. Le succès alimentaire augmentait rapidement avec la taille des poissons et l'abondance de proies. Toutefois, bien que la température était peu prédictive du succès alimentaire, des températures au-delà du seuil de tolérance des jeunes morues arctiques limitaient de manière importante les capacités de capture de proies, et ce même lors d'une abondance élevée de proies. Également, la nature des proies ingérées demeure un facteur déterminant du succès alimentaire. L'ingestion de proies très nutritives, tel que Calanus glacialis, favorisait particulièrement le succès alimentaire alors que la consommation de cyclopoïdes aux dépens d'autres espèces plus nutritives avait un effet délétère sur le succès alimentaire, semant un doute sur l'adaptabilité future de la morue arctique aux changements en cours. Bien que les changements de couverts de glace n'aient pour l'instant pas un impact direct sur le succès alimentaire des jeunes poissons, ils impacteront éventuellement la phénologie des espèces clés de zooplancton et leur présence simultanée avec les morues arctiques d'âge-0. Le succès alimentaire de la morue arctique dans ses stades les plus vulnérables pourrait donc être compromis à moyen terme. / Due to climate change, the whole Arctic Ocean could become free of ice during the summer as early as the 2030s. For now, sea-ice breakup already happens earlier almost year after year. Arctic cod (Boreogadus saida), a pivotal species of Arctic marine trophic networks, must cope with this lengthening of the ice-free season. Earlier studies suggest that age-0 Arctic cod recruitment is enhanced with an early sea-ice breakup. This could be explained by warmer temperatures promoting survival and by higherzooplankton biomass in areas of early sea-ice breakup. For this study, over 300 guts of larval and juvenile polar cod from various ecoregions of the Arctic were analyzed. I tested the hypothesis that young polar cods benefit from the lengthening of the ice-free season, optimal temperatures and higher abundance of nutritious preys by increasing their feeding success in those areas, which could in turn results in higher recruitment. Despite high inter-individual variability, feeding success increased with fish length and zooplankton abundance. Even though time since ice breakup and temperatures were not good predictors of feeding success, extreme temperatures as high as 10 °C led to a state close to starvation. Additionally, feeding success increased in fish feeding extensively on Calanus spp., while the consumption of cyclopoids such as Oithona similis decreased feeding success, raising concerns on the future adaptability of Arctic cod. Changes in sea ice regimes may not have a direct impact on age-0 Arctic cod feeding success on a short timescale, but they will eventually have important impacts on the phenology of key zooplankton species and their co-occurrence with age-0 Arctic cod. The feeding success of the vulnerable early life stages of Arctic cod could thus be jeopardized.

Au Canada, comme dans de nombreux pays de l'OCDE (Organisation de Coopération et de Développement Économiques), l'exploitation plus efficace des actifs hydroélectriques existants devient de plus en plus pertinente. Le fonctionnement optimal d'un système hydroélectrique est un problème de prise de décision séquentielle. Une séquence de décisions de soutirage d'eau doit être déterminée sur une période de planification donnée en tenant compte de diverses contraintes physiques et écologiques. Étant donné que cette période de planification peut s'étendre sur un futur plus ou moins lointain, les décisions de soutirage sont influencées par la disponibilité de prévisions hydrologiques fiables, y compris les systèmes de prévisions hydrologiques d'ensemble (H-EPS). Les hydrologues s'appuient souvent sur des scores statistiques pour évaluer la fiabilité et l'exactitude du H-EPS, mais ces scores ne donnent aucune indication sur la valeur économique des prévisions. Cette étude cherche à identifier les attributs les plus pertinents des prévisions hydrologiques d'ensemble en production hydroélectrique. Pour ce faire, un large ensemble de prévisions est construit à partir de 20 modèles hydrologiques et de prévisions météorologiques d'ensemble de 50 membres sur une période de 6 ans (2011-2016). De ce large ensemble, plusieurs H-EPS sont ensuite produits (configurés) et utilisés par un modèle d'optimisation hydroélectrique. La gestion du système hydrique est ensuite simulée en horizon roulant sur une période de 6 ans (2011-2016). Les résultats de la simulation indiquent qu'il existe une tendance entre la qualité globale et la valeur de la prévision en termes deproduction d'énergie, mais que cette relation n'est pas directement proportionnelle (1 :1). La configuration multimodèle fonctionne un peu mieux que les autres configurations. De plus, les résultats de la simulation montrent que les prévisions d'ensemble à court terme (CT) ont dela valeur, mais la marge d'amélioration se situe clairement dans les prévisions à moyen terme(MT, saisonnières), car un grand réservoir en amont contrôle la disponibilité de l'eau dans tout le système. Par ailleurs, les prévisions probabilistes donnent de meilleures performances que les déterministes, car elles donnent des informations sur l'incertitude du modèle d'optimisation.Enfin, les prévisions CT ont de la valeur tandis que les modèles d'optimisation CT-MT sont couplés. / In Canada, like in many OECD (Organization for Economic Co-operation and Development) countries, the more efficient use of existing hydropower assets is becoming increasingly relevant.The optimal operation of a hydroelectric system is a sequential decision making problem. A sequence of release decisions must be determined over a given planning period taking into account a variety of physical and ecological constraints. Since this planning period may extend over a more or less distant future, release decisions are influenced by the availability of reliable hydrologic forecasts, including hydrological ensemble prediction systems (H-EPS).Hydrologists often rely on statistical scores to assess the reliability and accuracy of H-EPS,but those scores do not give any indication of the economic value of the forecasts. This studyseeks to identify the most relevant attributes of ensemble hydrological forecasts in hydropower production. To do this, a large set of forecasts is built from 20 hydrological models and ensemble meteorological forecasts of 50 members over a period of 6 years (2011-2016). From this large set, several H-EPS are then produced (configured) and used by a hydroelectric optimization model. The management of the water system is then simulated on a rolling horizon over a period of 6 years (2011-2016). The simulation results indicate that there is a trend between the overall quality and the value of the forecast in terms of energy production,but that this relationship is not directly proportional (1: 1). The multi-model setup works a bit better than the other setups. In addition, the simulation results show that the ensemble forecast at short-term (ST) has value, but the room for improvement is clearly in the forecastat mid-term (MT, seasonal), as a large reservoir upstream controls the availability of water throughout the system. In addition, probabilistic forecasts give better performance than determinists, because they provide information on the uncertainty of the optimization model.Finally, ST forecasts have value while ST-MT optimization models are coupled.

Les considérations environnementales occupent une place croissante dans l'opinion publique ainsi que dans les politiques nationales et internationales. Le cas de la rivière en est un exemple particulièrement frappant : au centre d'enjeux multiples et pour certains hautement stratégiques (énergie, irrigation), elle est le théâtre d'un conflit d'usages donnant lieu à l'établissement de compromis particulièrement fins pour la gestion de la ressource. Dans les approches les plus courantes, la description de l'état et du fonctionnement d'un hydrosystème tel que celui de la rivière est effectuée par la mesure de variables physiques ou la mise en relation des variables d'intérêt avec les paramètres physiques quantifiables caractérisant le milieu (modèles hydrauliques, modèles hydrobiologiques). L'objectif de ce travail est donc de proposer une réponse à la question de la mesure de la géométrie de la rivière par télédétection. On s'attache tout d'abord à décrire le contexte particulier de la rivière mentionné plus haut puis à effectuer un état de l'art faisant ressortir une lacune pour la restitution du relief immergé par stéréo à travers l'eau avec des moyens légers. On propose ensuite une méthode complète d'acquisition d'images et de traitements permettant d'estimer le relief immergé de rivière. Le travail effectué repose sur la mise en oeuvre de moyens technologiques légers permettant une grande flexibilité pour l'acquisition des données. On se base sur les méthodes de stéréorestitution du relief, pour lesquelles on propose une adaptation au contexte spécifique de la photogrammétrie à travers l'eau. Enfin, on met en place des méthodes de correction des mesures brutes intégrant des contraintes a priori (cohérence hydraulique ; cohérence spatiale) pour la correction de l'effet de réfraction. L'application de la méthode développée en conditions opérationnelles sur une rivière peu profonde à fond de galets montre que la mesure du relief immergé par stéréophotogrammétrie est possible, et permet une représentation de la topographie du lit d'une qualité compatible avec les modèles hydrobiologiques (modèles habitat-poisson). On a ainsi développé, testé, validé et determiné les conditions d'application d'une méthode de mesure de la géométrie de la rivière par télédétection originale et complémentaire des technologies existantes.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les rivières sont une composante majeure du paysage subarctique qui se transforme en réaction au réchauffement climatique, notamment par le dégel et l'érosion du pergélisol et par des changements de végétation et d'hydrologie. Cette transformation du paysage peut affecter les propriétés physico-chimiques des rivières qui le parcourent, avec des répercussions sur la composition des communautés microbiennes et, ultimement, sur le fonctionnement écosystémique non seulement des rivières, mais également des milieux côtiers dans lesquels elles se déversent. Cependant, malgré leur rôle clé dans les cycles biogéochimiques et les réseaux alimentaires, les communautés microbiennes sont peu caractérisées dans les rivières subarctiques, en particulier à la limite méridionale de la répartition du pergélisol, où les changements de paysage sont les plus rapides, et pendant la période de couverture de glace hivernale qui s'étend sur plus de la moitié de l'année. L'objectif principal de cette thèse était d'améliorer les connaissances sur le microbiome planctonique des rivières de hautes latitudes dans un contexte de paysage en transformation, incluant leurs zones de transition à la mer. Cet objectif a d'abord été atteint en évaluant la composition et les patrons de diversité des communautés microbiennes estivales, ainsi que les facteurs influençant ceux-ci, en utilisant le séquençage d'amplicons de deux fractions de taille, et en considérant les profils spatiaux dans deux paysages distincts: l'un caractérisé par un pergélisol isolé/sporadique au sud et l'autre par un pergélisol discontinu plus au nord, tous deux situés au Nunavik, Québec. Dans une deuxième approche, le séquençage d'amplicons a été combiné à une analyse métagénomique pour déterminer la composition et le potentiel fonctionnel des microbiomes aquatiques subarctiques sous la couverture de glace hivernale. Les petites rivières traversant un pergélisol sporadique fortement dégradé présentaient des propriétés limnologiques et une composition de communautés microbiennes différentes de celles des grandes rivières traversant le paysage de pergélisol isolé. L'échantillonnage d'un continuum hydrologique (lac-rivière-plume-baie) dans une région de pergélisol discontinu traversant des gradients de dégradation du pergélisol, de végétation et de salinité, a montré que les caractéristiques limnologiques et la composition de la communauté microbienne changeaient en aval le long du continuum et que les patrons de diversité et les variables affectant la structure de la communauté microbienne différaient selon le mode de vie bactérien (libre ou associé à des particules). Ces résultats suggèrent que la transformation des paysages nordiques influence les propriétés limnologiques et microbiologiques des rivières subarctiques du Nunavik et que cette influence peut varier en fonction du mode de vie bactérien. Cette influence est notamment due aux apports de matière organique dissoute, dont la concentration et la composition expliquaient en partie la variation observée de la structure de la communauté microbienne dans les deux régions. Certains taxa étaient ubiquitaires dans une large gamme de conditions environnementales dans la zone de pergélisol isolé/sporadique, ce qui suggère qu'une fraction de la population microbienne peut être résiliente aux changements environnementaux. L'échantillonnage hivernal de la Grande Rivière de la Baleine et de sa plume a révélé le potentiel de la communauté microbienne à utiliser diverses voies métaboliques pour acquérir de l'énergie et du carbone, incluant des composés aromatiques organiques terrestres. De plus, les propriétés limnologiques, la composition et la capacité métabolique des communautés microbiennes différaient en fonction de la profondeur de la rivière, ce qui suggère une influence des sédiments de fond en suspension, ainsi qu'en fonction de la salinité dans la plume. L'influence structurante de la salinité a également été observée pendant la saison estivale et était plus prononcée pour les eucaryotes microbiens que pour les procaryotes. Cette étude de thèse a démontré que les communautés microbiennes des rivières subarctiques sont taxonomiquement et fonctionnellement diverses, même pendant la période de conditions hivernales extrêmes. En caractérisant les procaryotes et les eucaryotes microbiens dans deux fractions de taille distinctes, à travers différents niveaux de stabilité du paysage et entre les saisons, cette thèse offre de nouvelles perspectives sur les microbiomes des écosystèmes lotiques traversant des régions affectées par le changement climatique. / Rivers are a major feature of the subarctic landscape, which is being transformed by climate change, permafrost thawing and erosion, and changes in vegetation and hydrology. This landscape transformation can affect the physico-chemical properties of the rivers that flow across them, with repercussions for the composition of microbial communities and ultimately for ecosystem functioning, not only of the rivers but also of their receiving coastal waters. However, despite their key role in biogeochemical cycles and food webs, microbial communities have been little characterized in subarctic rivers, especially at the southern limit of permafrost distribution where landscape changes are most rapid, and during the winter ice-cover period that extends for more than half of the year. The main objective of this thesis was to improve knowledge about the planktonic microbiome of high-latitude rivers in a context of landscape transformation, including their transition zones to the sea. This was firstly addressed by evaluating the composition and diversity patterns of summer microbial communities, as well as factors influencing these patterns, using amplicon sequencing of two size fractions, and by considering the spatial patterns in two landscapes: southern, isolated/sporadic permafrost and more northerly, discontinuous permafrost, both in Nunavik, Quebec. In a second approach, amplicon sequencing was combined with metagenomic analysis to determine the composition and functional potential of subarctic aquatic microbiomes under winter ice-cover. Small rivers crossing strongly degraded, sporadic permafrost had limnological properties and microbial community compositions that differed from those of larger rivers traversing the isolated permafrost landscape. Sampling of a hydrological continuum (lake-river-plume-bay) in a region of discontinuous permafrost, crossing gradients of permafrost degradation, vegetation, and salinity, showed that limnological characteristics and microbial community composition changed downstream along the continuum, and that diversity patterns and variables affecting microbial community structure differed according to bacterial lifestyle (free-living or particle-associated). These results suggest that the transformation of northern landscapes influences the limnological and microbiological properties of subarctic rivers in Nunavik, and that this influence may vary depending on bacterial lifestyle. This influence is mainly due to the inputs of dissolved organic matter, whose concentration and composition partly explained the observed variation in microbial community structure in the two regions. Some taxa were ubiquitous across a wide range of environmental conditions in the isolated/sporadic permafrost zone, suggesting that a fraction of the microbial population may be resilient to environmental change. The winter sampling of subarctic Great Whale River and its plume revealed the potential of the microbial community to use diverse metabolic pathways to acquire energy and carbon, including terrestrial organic aromatic compounds. In addition, the limnological properties, microbial composition, and metabolic capacity of the microbiomes differed depending on river depth, suggesting an influence of suspended bottom sediments, and on salinity in the plume. The structuring influence of salinity was also observed during the summer season and was more pronounced for microbial eukaryotes than prokaryotes. This thesis study has demonstrated that subarctic river microbial communities are taxonomically and functionally diverse, even during the period of extreme winter conditions. By characterizing prokaryotes and microbial eukaryotes in two distinct size fractions, across different landscape stabilities and between seasons, this thesis offers a new set of microbiome perspectives on river ecosystems traversing regions affected by climate change.

Lors d’un suivi en temps réel de la qualité de l’eau d’une rivière, une quantité innombrable de données peut être récoltée permettant ainsi une bonne description des dynamiques changeant rapidement. Cependant, des questions s’imposent. Quelle est la qualité des données mesurées en temps réel? Quels sont les effets de données de mauvaise qualité sur les objectifs associés à leur utilisation? Ce mémoire tente de résoudre cette problématique en présentant des outils automatiques d’évaluation de la qualité des données. Ces outils sont généraux et simples, en ce sens qu’ils s’appliquent à différents emplacements (rivière, STEP, égout, etc.) et qu’ils sont basés sur des méthodes univariées faciles à implanter. Suite à l’application de ces outils, la qualité des données est connue et accrue favorisant ainsi l’atteinte des objectifs reliés à un suivi en temps réel. Leur application est démontrée sur des données mesurées lors d’un suivi en temps réel de la qualité de l’eau d’un ruisseau urbain effectué à l’aide de la station monEAU. / During real-time water quality monitoring in river systems, a huge amount of data is produced which allows a better description of the rapidly changing dynamics compared to spot sampling methods. However, what is the quality of the measured data and what are the impacts of poor data quality on the objectives pursued during real-time water quality monitoring? Therefore, this master thesis proposes automatic data quality assessment tools to tackle this issue. These tools are general and simple, which means that they can be applied to any type of water and that they are based on easy-to-implement univariate methods. Following the application of these tools, data quality will be improved and known as such and will allow to better achieve the objectives of a real-time water quality monitoring project. The application of these tools is demonstrated on data collected during real-time water quality monitoring of an urban river performed using a monEAU station.

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