Ce mémoire décrit le modèle numérique Smoothed Particle Ice Dynamics Equations for Rivers (SPIDER) développé par Nolin, Roubtsova et Morse afin de modéliser le transport et l'accumulation de glace à la surface d'une rivière. Dans SPIDER, la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) est utilisée pour résoudre les équations de dynamique de la glace en deux dimensions. Le modèle SPIDER a été utilisé afin de simuler la formation d'embâcle fluvial. Les profils d'embâcle obtenus sans considérer le frottement des berges sont identiques à ceux présentés dans les études antérieures. Les profils obtenus en considérant le frottement des berges diffèrent de ceux présentés dans les études antérieures mais sont conformes à la méthode utilisée pour modéliser le frottement. Deux études paramétriques ont été réalisées afin de caractériser l'influence de l'angle de frottement interne de la glace ([phi]) et du coefficient de traînée eau-glace (cw) sur les profils d'embâcle. Ces études montrent que plus l'angle ʹ est grand, plus l'embâcle est long et moins la glace au pied de l'embâcle est épaisse. De même, plus cw est grand, plus l'embâcle est court et plus l'épaisseur de glace au pied de l'embâcle est grande. Le relâchement d'un embâcle fluvial a été simulé en couplant SPIDER au modèle hydrodynamique KIMBULA développé par Roubtsova V. et Kahawita R. à l'École Polytechnique de Montréal. Les résultats préliminaires simulés par ce modèle hybride sont similaires à ceux présentés dans les études antérieures.

Réunissant une série de trois articles scientifiques, ce mémoire offre une description et une quantification des processus dynamiques de glace dans les cours d’eau à forte pente. Menée sur trois cours d’eau du bassin versant de la rivière Montmorency (à proximité de Québec, QC, Canada), cette recherche démontre grâce à l’analyse par CAT scan que la glace de fond et les barrages de glace se développent principalement par croissance in-situ des cristaux de frasil-fixé. La porosité des structures de frasil-fixé varie entre 23% et 52% alors que celle de des structures de glace colonnaire, uniquement retrouvées dans les barrages de glace, varie entre 0% et 1,5%. De plus, les taux de croissance et de fonte des barrages de glace varient de façon importante autour d’une moyenne d’environ 1 cm/h. Le développement complet d’un barrage de glace a été simulé avec succès à l’aide d’un modèle physique comportant plusieurs degrés de liberté. / Uniting three scientific papers, this thesis offers a description and a quantification of dynamic ice processes taking place in steep channels. This research was led on three channels located in the Montmorency River watershed near Quebec City, Canada. CAT scan analyses showed that the development of anchor ice and ice dams is mainly caused by in-situ growth of fixed-frazil ice crystals. Porosity of fixed-frazil ice structures ranges between 23% and 52% while porosity of columnar ice structures, only found in ice dams, ranges from 0% to 1.5%. Moreover, ice dam growth and decay rates greatly vary around the mean value of about 1 cm/h. The complete development of a single ice dam was successfully simulated using a physical model that demonstrated the large number of degrees of freedom inherent in the process.

Alors que pour la plupart des rivières, la rupture du couvert de glace est un processus d'amont en aval, la rupture en estuaire est un processus de l'aval vers l'amont. Les ondes de marée qui remontent l'embouchure des estuaires parviennent à fracturer la couverture de glace en morceaux lors de la marée montante et transportent ensuite ces morceaux hors de l'estuaire lors de la marée descendante. Les conditions hydrométéorologiques affectant ce processus restent peu documentées et mal comprises. À cette fin, une campagne de terrain de deux ans a été mise sur pied pour surveiller la débâcle printanière dans quatre estuaires du Québec. Les résultats ont montré que l'affaiblissement thermique de la glace est un précurseur nécessaire à la débâcle de celle-ci. D'autres facteurs comme le marnage et le débit sont aussi des paramètres importants pour prédire le type de débâcle qui sera observé. En parallèle, une simulation numérique (Hec-Ras) d'une section de la rivière Saint-Anne, au Québec, a été menée en y ajoutant un barrage à seuil gonflable (à Chute-Panet). Celui-ci permettrait de reproduire artificiellement les cycles de marées. Les critères hydrauliques montrent que l'ajout de ce type de barrage permettrait de faciliter la destruction et l'évacuation du couvert de glace avant que celui-ci ne provoque des inondations dans la ville de Saint-Raymond. Des critères empiriques et l'application de la théorie des poutres reposant sur des fondations élastiques ont aussi été utilisés pour affiner notre compréhension du phénomène de rupture en rivière gelée. Finalement, le troisième volet de cette étude porte sur la réalisation d'une maquette de rivière en laboratoire d'hydraulique. Son utilisation vise à combler les limites des modèles numériques et à étudier différents scénarios d'opération du barrage. / Whereas in most rivers ice cover breakup is an upstream-to-downstream process, ice cover breakup in estuaries is a downstream-to-upstream process. Tidal waves coming up the mouth of estuaries succeed in fracturing the cover in pieces on the flood tide and subsequently transport those pieces out of the estuary on the ebb tide. The hydrometeorological conditions affecting this process remains poorly documented and understood. For this purpose, a two-year field campaign has been developed to monitoring spring break-up on four estuaries that are tributaries to the Saint-Laurence River in Quebec. The results showed that thermal weakening of the ice is a necessary precursor to ice breakup. Other factors such as tidal range and discharge are also important parameters to predict the type of breakup that will be observed. In parallel, a numerical simulation (Hec-Ras) of a section of the Saint-Anne River, in Quebec, was conducted with the addition of an inflatable weir dam (at Chute-Panet). This construction would artificially reproduce the tidal cycles. Hydraulic criteria showed that the addition of this type of dam would facilitate the destruction and evacuation of the ice cover before it caused flooding in the town of Saint-Raymond. Empirical criteria and the application of the theory of beams on elastic foundations were also used to refine our understanding of the frozen river failure phenomenon. Finally, the third part of this study deals with the realization of a river model in a hydraulic laboratory. Its use aims at filling the limits of the numerical models and at studying various scenarios of operation of the dam.

La rivière Chaudière, située au sud de la Ville de Québec, est sujette aux inondations provoquées par la formation d'embâcles. Des inondations ont été enregistrées depuis 1896 jusqu'à ce jour malgré la mise en service, en 1967, d'un ouvrage de contrôle des glaces (ICS) à 3 kilomètres en amont de la Ville de Saint-Georges-de-Beauce afin de réduire les inondations causées par la glace dans le secteur le plus à risque de la rivière Chaudière. Les inondations par embâcles demeurent donc un problème récurrent qui affecte régulièrement 8 villes le long du tronçon de 90 kilomètres en aval de l'ICS. Dans le cadre d'un programme gouvernemental d'aléas d'inondation initié par le ministère des Affaires Municipales et de l'Habitation (MAMH), un mandat pour évaluer les cotes de crues en présence de glace de la rivière Chaudière a été confié à l'Université Laval. La modélisation d'embâcles combinée à des données d'observations historiques d'embâcles est utilisée pour déterminer les niveaux d'inondation par embâcles. L'approche préconisée consiste à contrôler un modèle de simulation hydraulique fluviale, plus spécifiquement le module HEC-RAS, avec un script externe en Python pour générer une distribution Monte-Carlo (MOCA) d'évènements d'embâcles le long du secteur de la rivière à l'étude. Les paramètres mécaniques tels que l'angle de frottement, la porosité et les vitesses de contrainte de cisaillement critiques sont également attribués de manière aléatoire par le script dans une plage délimitée. Les paramètres physiques et hydrologiques attribués à chaque évènement sont choisis au hasard en fonction d'une probabilité estimée à partir des observations historiques, soit le débit calculé à l'ICS, l'emplacement de l'embâcle, la longueur de l'embâcle et les degrés-jours de gel (épaisseur de la glace). Les cotes de crues selon les périodes de retour de 2, 20, 100 et 350 ans sont alors déterminées selon une équation statistique empirique de Gringorten, suivie d'une modulation pour tenir compte des facteurs externes non considérés par MOCA. Ces cotes de crues en présence de glace sont comparées à celles en eau libre telles que déterminées par la méthode classique. Le projet démontre que les niveaux d'eau calculés en présence de glace prédominent ceux en eau libre pour les villes en amont de Saint-Joseph-de-Beauce. La combinaison des niveaux d'eau en présence de glace et en eau libre, réalisée à l'aide de l'équation de la FEMA, montre que la probabilité d'atteindre un seuil spécifique d'élévation diminue la période de retour et en conséquence augmente les probabilités reliées aux inondations. Ce mémoire est le premier travail scientifique qui présente une validation complète de l'approche hydrotechnique utilisant les valeurs in situ de débit, de DJGC et de l'emplacement et de la longueur d'embâcles pour la détermination des cotes de crue par embâcles. Les valeurs de cotes de crues calculées avec la méthode MOCA sont comparées avec les données historiques dans le secteur à l'étude de la rivière Chaudière. La présente étude met en évidence les limitations et les conditions nécessaires pour l'utilisation de cette méthode. Ce projet de recherche montre aussi pour la première fois que l'approche hydrotechnique permet de calculer des courbes fréquentielles de niveaux d'eau en présence de glace qui peuvent être utilisées à des fins réglementaires au Québec. / The Chaudière River, located south of Quebec City, is prone to seasonal ice jam flooding. As early as 1896, ice induced floods have been recorded and in 1967 an ice control structure (ICS) was constructed 3 kilometers upstream of the Town of St. Georges to reduce ice flooding events in the area most at risk of the Chaudière River. Despite the construction of the ICS, flooding caused by ice jams is still an ongoing issue that regularly affects 8 towns along this reach of 90 kilometers downstream of the ICS. As part of a governmental flood hazard program that is managed by the provincial ministère des Affaires Municipales et de l'Habitation (MAMH), the mandate of assessing ice jam flood delineation has been given to Laval University. In order to achieve this objective, ice jam modelling combined with historical data is used to determine ice jam flood levels. More specifically, the approach used is to control a river hydraulic simulation model (HEC-RAS) with an external script (MOCA) written in Python to generate a Monte-Carlo distribution of ice jam flood events along the study reach. The script polls historical data of recorded ice jam events which include flow measured at the ICS, ice jam location, ice jam length, and degree days of freezing (ice thickness). Mechanical parameters such as the angle of friction, porosity and critical shear stress velocities are also randomly assigned by the script within a delimited range. The physical and hydrological parameters assigned to each event are randomly chosen based on the historical data. The flood levels according to the return periods of 2, 20, 100, and 350 years are then determined according to an empirical statistical equation and modulated to consider external factors not considered by the MOCA. These calculated flood levels are compared with the ones obtained by open water floods as determined by the classical method. The results show that the calculated ice induce water levels predominate over open water flooding for the towns upstream of Saint-Joseph-de-Beauce. The combination of ice induced and open water levels, using the FEMA equation, show that the probability of reaching a specific elevation is reduced and thus increases the probability associated with flooding. This thesis is the first scientific work that presents the complete validity of the hydrotechnical approach using in situ flows, cumulative degree-days of freezing and ice jam length and location for the determination for ice induced flood delineation combined with a MOCA framework. Calculated flood frequency levels are compared with historical ice induced flood water levels within the studied reach, as well as the conditions and limitations for using this approach. Also, this scientific document is the first to present ice-related flood levels using the hydrotechnical approach for regulatory purposes in the Province of Québec.

Durant les mois de janvier et février 2019, trois embâcles ont forcé l'arrêt de la navigation commerciale vers le Port de Montréal. Ce mémoire présente les conditions météorologiques associées aux embâcles sur le fleuve Saint-Laurent de l'hiver 2018-2019. Il explique que les embâcles se développent à la suite d'arrêts de glace dans le bief problématique du lac Saint-Pierre entre la courbe Louiseville et le bassin Yamachiche. Pour ce faire, l'étude considère la production de glace en amont jusqu'au lac Saint-Louis. Il explique pourquoi ce bief est si vulnérable à l'initiation d'embâcles en présentant les neuf concepts de vulnérabilité du lac Saint-Pierre. De plus, il propose quatorze recommandations concrètes pour améliorer la fiabilité de navigation hivernale en réduisant les risques d'embâcles. En considérant ces recommandations, différentes opportunités de télédétection et une interface utilisateur sont présentées. L'opportunité de télédétection introduit la possibilité d'usage d'images de RADARSAT Constellation Mission et de photographies par drone afin d'évaluer des éléments clés comme la progression du couvert de glace, la largeur effective du chenal, la concentration de glace en transit et la vitesse de la glace. L'interface est un prototype d'outil d'aide à la décision de source libre qui permet d'obtenir d'autres informations quantitatives sur les risques d'arrêts de glace et du même fait, d'embâcles de glace. / In January and February 2019, three ice jams blocked commercial navigation to the Port of Montreal. This thesis presents the environmental conditions associated with the ice jams of winter 2018-2019 on the Saint Lawrence River. It explains how the ice jams develop when an ice stoppage prevents the circulation of ice floes downstream. It focusses on the area that is most at risk of ice jams in the St. Lawrence River reach known as Lake St. Pierre (specifically between curve Louiseville and the Yamachiche basin). The study also accounts for the ice production in the river upstream (all the way to Lake St. Louis). To do so, ice processes, historical information and ice management structures are analysed, and the vulnerability of the area is presented by discussing nine key concepts. Using this information, 14 recommendations are proposed to improve the reliability of commercial winter navigation and to reduce the risks of ice jams. Considering there commendations, different opportunities of remote sensing and of a data assimilation management tool are presented. The opportunity for remote sensing introduces the possibility of using the images of RADARSAT Constellation Mission and drone photography to evaluate critical elements like the ice cover progression, the effective channel width, ice concentration and ice speed. A data assimilation management tool is proposed using an open-source decision support system. The tool provides quantitative information about the risks of ice stoppages and ice jams as a function of degrading weather and hydro-cryological conditions.

La rivière Chaudière, ce cours d'eau de la rive sud du Saint-Laurent à Québec, s'est vu être la source de multiples inondations dans l'histoire beauceronne. Une partie importante de ses colères est attribuable aux embâcles de glace et à l'inévitable débâcle qui les initie. La compréhension des causes de ces embâcles est nécessaire afin d'agir, pour le mieux, sur le phénomène d'embâcle et cette étude s'inscrit dans cette ligne de pensée. L'étude vise à décrire, caractériser et quantifier la dynamique spatio-temporelle de la débâcle et des embâcles de glace sur la rivière Chaudière par des observations de terrain au cours des hivers 2018-2019 et 2019-2020. Pendant ces hivers, des dizaines de caméras autonomes et de GPS-trackers ont été installés à des endroits stratégiques. Grâce à cette instrumentation, à l'emploi d'outils tiers (données hydrométriques; CEHQ et COBARIC, images satellites; Sentinel-HUB) et à sa présence sur le terrain, l'auteur a pu reconstruire en détail la chronologie spatio-temporelle des débâcles sur la rivière Chaudière. Les observations montrent que les débâcles printanières s'initient d'abord en Haute Chaudière, et ensuite en Moyenne et Basse Chaudière presque simultanément. La débâcle est d'abord complétée en Haute Chaudière, ensuite en Basse Chaudière et finalement vient la Moyenne Chaudière où des vestiges d'embâcles hivernaux ont retardé le départ des glaces entre Saint-Joseph et Beauceville. Dans le segment le plus amont, la Haute Chaudière, les glaces ont été mises en mouvement lorsque le débit a atteint entre 60 et 200 m³/s (station Saint-Georges) et à un indice de dégel entre 20 et 80 °C-J. Plus à l'aval, en Moyenne Chaudière, c'est entre 220 et 1000 m³/s (station Saint-Georges), lorsque l'indice de dégel se situait entre 110 et 180 °C-J, que la majorité des glaces se sont mises en mouvement. En Basse Chaudière, c'est plutôt entre 140 et 710 m³/s (station Saint-Georges), et lorsque l'indice de dégel variait autour de 125 °C-J, que les glaces ont été évacuées du cours d'eau. Lors de ces deux saisons d'observation seulement, 51 embâcles de glace ont été répertoriés, illustrant le caractère dynamique de la Chaudière. La forte majorité d'entre eux était contenue dans le segment de la Moyenne Chaudière, démontrant sa forte capacité pour la rétention des glaces. Les plus longs, et ceux ayant contribué à des inondations, se sont formés entre Beauceville et Saint-Georges, témoignant du risque élevé qui plane sur les riverains dans ce tronçon. Les îles, bifurcations du chenal et changements de pente représentent les styles géomorphologiques les plus susceptibles d'obstruer le passage des glaces. Les relâchements d'embâcles ont engendré des ondes d'eau voyageant à des célérités de l'ordre de 1.5 m/s à 7.0 m/s. Les plus élevées ont été estimées entre Beauceville et Saint-Georges. Plus en aval, dans la section des « eaux mortes » (Moyenne Chaudière), la plaine inondable amortit l'onde et tend à réduire sa vitesse de propagation. C'est dans cette section que les plus faibles valeurs ont été estimées. Les patrons spatio-temporels de la débâcle, les seuils hydrométéorologiques de mobilisations des glaces, les sites d'embâcles et les célérités d'ondes d'eau, tous identifiés dans ce mémoire, peuvent servir à la conception d'ouvrages du génie, ainsi que pour le développement d'un système d'alerte précoce. / The Chaudière River, located on the south shore of the Saint Lawrence River, Quebec, is well known for its frequent flooding events. An important part of those floods is caused by ice jams associated with the inevitable breakup that precedes them. In order to eventually alleviate the impacts of ice jam flooding events, knowledge must be acquired from observations of the breakup dynamics, which is the aim of this study. The goal of this study is to describe, characterize and quantify the spatiotemporal dynamics of the breakup events and ice jams along the Chaudière river. During the winters 2018-2019 and 2019-2020, tens of autonomous cameras and GPS-trackers were installed at strategic locations along the river. With this instrumentation, the use of third-party tools (hydrometric data; CEHQ and COBARIC, satellite images; Sentinel-HUB) along with his presence on the field, the author was able to reconstruct the detail of each breakup events. The resulting observations showed that spring breakups are initiated in upper reach of the river, the Haute Chaudière, and then after, almost simultaneously, in the Moyenne and Basse Chaudière segments. The breakup is usually first completed in the Haute Chaudière, then in Basse Chaudière, and lastly in Moyenne Chaudière where mid-winter ice jams have been seen to delay the ice clearing between Saint-Joseph and Beauceville. In the Haute Chaudière, ice movements began when the flow rate was between 60 and 200 m³/s (Saint-Georges station) and when the ice decay index was between 20 and 80 °C-J. In Moyenne Chaudière, it is when the discharge varied from 220 to 1000 m³/s (Saint-Georges station) and when the ice decay index was between 110 to 180 °C-J that the ice moved and eventually cleared. In Basse Chaudière, ice movements were observed between 140 m³/s and 710 m³/s (station Saint-Georges), and when the ice decay index was about 125 °C-J. During these two winter seasons, 51 ice jams were observed. The vast majority of them was found in the Moyenne Chaudière reach, demonstrating its strong capacity for ice retention. The longest jams, and those that contributed to flooding, were found between Beauceville and Saint-Georges, which translates a higher risk for the riparian residents along this reach. Islands, channel bifurcations and slope changes were the most susceptible geomorphological features to initiate ice jamming. Ice jam generated water waves ('Javes') that travelled at a celerity ranging from 1.5 m/s to 7.0 m/s. In the "eaux mortes" reach (Moyenne Chaudière), the floodplains dampened the waves and therefore reduced the velocities. The highest velocities were observed between Beauceville and Saint-Georges. Breakup patterns, hydrometeorological thresholds of ice mobilization, ice jam sites and javes celerity, all identified in this thesis, can serve as basis for engineering design, including the implementation of an early warning system.

Ce mémoire présente deux éléments de vulnérabilité de la prise d’eau des îlets de la rivière Montmorency, (Arrondissement Beauport, ville de Québec, 46° 55' 20" N 71° 11' 13" O). Cette nouvelle prise d’eau, installée en 2010-2011, est constituée d’un premier dispositif qui capte l’eau de surface et d’un second qui capte l’eau par des drains installés dans le lit de la rivière. Le dispositif sous fluvial est installé afin d’assurer un accès à l’eau de la rivière en cas de défaillance du dispositif superficiel, éventuellement provoqué par les glaces. Le premier aléa examiné qui soulève la question de la vulnérabilité est la présence de glace de fond qui, le cas échéant, pourrait nuire au rendement du dispositif sous fluvial en formant une barrière plus ou moins étanche entre l’eau de la rivière et les drains. Les observations menées à l’hiver 2009-2010 ont permis de noter la présence de glace de fond à une occasion sur une aire de 5 m² au seuil en amont du site d’implantation de la prise d’eau sous-fluviale. Les visites durant l’hiver 2010-2011 ont permis d’identifier trois (3) périodes de présence de glace de fond au seuil directement en aval du site d’installation de la prise d’eau sous-fluviale. La glace de fond couvrait entièrement le seuil et partiellement la zone d’implantation prévue. Les observations de glace de fond faites aux hivers 2009-2010 et 2010-2011 ainsi que la mesure d’épisodes de surfusion dans l’eau en mars 2010 suggèrent qu’il est fort probable qu’après la mise en place du dispositif de captage sous-fluvial, d’autres épisodes de glace de fond pourraient se produire. Toutefois, les observations faites de la glace de fond en place à l’hiver 2010-2011 démontrent qu’elle est très poreuse et non-consolidée, ce qui porte à croire que son influence sur le rendement du dispositif sous fluvial serait marginale d’autant plus que de tels événements se produisent seulement avant et après la mise en place du couvert de glace et quand la température est suffisamment basse, ce qui ne se produit pas très souvent. Le deuxième aléa qui soulève la question de la vulnérabilité de la prise d’eau est que ce bief anastomosé de la rivière pourrait subir des changements morphologiques suffisamment importants pour assécher à long terme le lit de la prise d’eau lors d’épisodes d’étiage sévère. Cette possibilité découle du fait que la rivière partage son débit avec des chenaux secondaires transitant dans la plaine d’inondation à travers la forêt, et qui court-circuitent le cours principal vis-à-vis de l’ouvrage des îlets ces bras pourraient s’élargir significativement dans les années à venir, possiblement en lien avec la présence du pont multifonctionnel. Celui-ci semble provoquer une augmentation de la fréquence des embâcles de glace immédiatement à l’amont, et la déposition consécutive d’alluvions grossières transportées par la débâcle, notamment quand l’embâcle qui l’accompagne font en place. Lors des embâcles, voire même lors des crues à l’eau libre, le niveau de l’eau monterait de plus en plus haut à débit donné, ouvrant ainsi la voie à une débitance croissante par les chenaux secondaires. Les relevés réalisés durant ce projet de maîtrise démontrent que la topographie du tronçon de 1,3 km directement en amont du pont multifonctionnel (Lat.= 46° 55' 38" N, Long. = 71° 11' 37" O) a subi des modifications notables depuis 1995. Les 500 m complètement en amont du tronçon ont subi un surcreusement moyen de 15 cm tandis que les 800 m en aval ont subi un rehaussement de 15 cm en moyenne. Des différences aux seuils des entrées vers les bras secondaires ont aussi été mise en évidence (jusqu’à -1,5 m) cependant, lors du relevé de 1995 des débris (branches, troncs, etc.) ainsi que des sédiments obstruaient l’entrée en formant des seuils (généralement < 1 m) ce qui explique les différences importantes notées aux seuils entre 1995 et 2000 (Doyon, B, Communication personnelle, 2010). La répartition des débits entre les bras secondaires de la rivière est sujette à des variations relatives importantes en proportions causées par des effets locaux. La pente des bras secondaires de la rivière Montmorency est faible et couplée à un débit tout aussi faible et des chenaux étroits, les débits dans les bras secondaires sont plus facilement influencés par les débris, sédiments et toute nouvelle restriction ou ouverture. Les débits mesurés ont permis de déterminer qu’en absence d’un couvert de glace, le pourcentage du débit qui court-circuite le site de la prise d’eau est de 5%, 6%, 8% et 9% pour des débits totaux au secteur des îlets de 29 m³/s, 46 m³/s, 55 m³/s et 90 m³/s. Depuis la construction du pont, la fréquence caractéristique des embâcles dans le secteur du pont est passée de un aux trente ans à un aux cinq ans. Le modèle HEC-RAS a été utilisé pour déterminer les niveaux d’eau du secteur des bras secondaires en présence d’un couvert de glace et en présence d’embâcles de glace. Les résultats démontrent que les niveaux atteints en crue 2 ans à surface libre (439 m³/s) et en crue hivernale (100 m³/s) en présence d’un couvert de glace ou d’un embâcle de glace initient l’écoulement vers les bras secondaires et causent de cette façon de l’érosion qui augmentera avec le temps la chenalisation vers les bras secondaires en période de crues. Ce travail se situe dans un projet du Ministère des Affaires municipales, des Régions et de l’Occupation du territoire en collaboration avec la Ville de Québec.

Cette thèse de doctorat constitue une analyse hydro-climatique et géomorphologique des déglacements mécaniques d'un petit cours d'eau du Haut-Boréal québécois : la rivière Necopastic. L'étude de la variabilité spatiale et temporelle dans l'intensité et la fréquence de ces événements a été permise grâce à l'analyse dendrochronologique des cicatrices d'abrasion glacielle échantillonnées sur les arbres le long du cours principal de la rivière. Dans le cadre de cette thèse, les problèmes liés à l'échantillonnage des arbres et à la construction de chronologies glacielles en milieu fluvial ont été identifiés et solutionnés en accord avec les principes de base en dendrochronologie (Le., la sélection des sites, la sensibilité des enregistreurs et la réplication). Une chronologie construite selon cette nouvelle méthode a permis l'analyse du contexte hydro-climatique dans lequel se déclenchent les épisodes de déglacement mécanique à l'intérieur du bassin-versant de la rivière Necopastic. En croisant les variations dans l'intensité des déglacements mécaniques aux variables hydro-climatiques régionales (période 1950-2003) et en incorporant ces variables dans un modèle prédictif (arbre de classification et de régression), il a été démontré que les déglacements mécaniques intenses se produisent surtout en présence d'un couvert de glace dont les propriétés physiques ne sont pas dégradées au moment de la crue printanière. Des crues régionales hâtives et soudaines combinées à des printemps froids et neigeux (lorsque l'indice d'Oscillation Arctique est positif) favorisent le déclenchement d'épisodes de déglacements mécaniques intenses. Enfin, l'impact de ces événements sur la géométrie et la géomorphologie des chenaux dépend de leur fréquence. Lorsque les déglacements mécaniques surviennent plus souvent qu'une fois à tous les cinq ans, les chenaux apparaissent élargis et présentent une morphologie érodée à deux niveaux. Ces variations dans la largeur et la forme des chenaux ne peuvent pas être décrites adéquatement par des courbes de géométrie hydraulique.

Ce mémoire offre une description des mesures d'affaiblissement préventif du couvert de glace qui ont été entreprises à Saint-Raymond de Portneuf, au Québec, au cours de cinq hivers consécutifs entre 2014 et 2019. La dynamique particulière de la rivière Sainte-Anne peut engendrer des accumulations massives de frasil au centre-ville de Saint-Raymond, pouvant mesurer plus de 4 mètres d'épaisseur par endroits et représenter plus de 120000 tonnes annuellement. Cela complique l'application et affecte l'efficacité de l'affaiblissement. L'objectif de ce projet est de déterminer les approches performantes et d'établir un protocole. Les rendements, selon la performance, la rentabilité et l'efficacité énergétique,des mesures d'atténuation mécaniques et thermiques ont été analysés selon le type de glace en présence .La progression des excavatrices amphibie (telles l'Amphibex et la pelle-araignée) est de deux à cinq fois plus lente dans une accumulation de frasil par rapport à un couvert flottant conventionnel. D'autres mesures, comme le forage d'un réseau de trous, le sciage du couvert, l'aéroglisseur et l'hélicoptère deviennent inefficaces en présence de frasil. Tout apport de chaleur est bénéfique une fois le couvert formé. Cependant, la forme de l'énergie injectée affecte la rentabilité de la mesure: contrairement à l'injection d'air chaud, l'injection de chaleur issue de la nappe phréatique est rentable et peut offrir un rendement appréciable si la charge calorifique est importante.Les différentes approches testées ont été comparées aux expériences réalisées sur d'autres rivières, afin de déterminer leurs limites d'application selon différents contextes de cours d'eau et de types glace. Sur un barrage de frasil ou un embâcle, la pelle-araignée munie d'un prototype de flotteurs offre la plus grande versatilité et une meilleure efficacité énergétique. Cette excavatrice a le potentiel d'excaver un chenal continu sur plus de six kilomètres de la rivière Sainte-Anne à Saint-Raymond en n'étant pas limitée par la présence de fosses, de hauts-fonds, d'un couvert consolidé ou flottant, d'une hauteur de dégagement contraignante sous les ponts ni de barrages. / This thesis describes preventive ice cover weakening measures that were undertaken in St.Raymond, QC, over five consecutive winters between 2014 and 2019. The specific dynamics of the St. Anne River can lead to massive accumulations of frazil in the downtown reach of St. Raymond, leading to an ice cover that can bemore than 4 metre-thick and formed by over 120,000 tons annually. This complicates the progression of the mitigation. The objective of this project is to identify the best ice weakening approaches and to establish a corresponding application protocol. The performance, cost-effectiveness and energy efficiency of mechanical and thermal mitigation measures were analyzed according to a variety of ice covers. The progression of amphibious excavators (such as Amphibex and spider excavator) is two to five times slower in thick frazil accumulations compared to that of a conventional floating ice cover. Other measures, such as drilling a network of holes, sawing the cover,or relying on a hovercraft or a helicopter to push and break the ice cover, become ineffective in the presence of frazil dam. Any heat input is beneficial once the cover is formed. However, the mean of energy injection affects the measure cost-efficiency: unlike hot air injection, ground water heat injection is cost-effective and can offer significant benefit if the heat load is high. Several different ice-weakening approaches were tested and compared, including experiments from other rivers,to determine their limits of application for different rivers and ice covers. On a frazil dam or ice jam, the spider excavator equipped with prototype floats offers the greatest versatility and energy efficiency. This excavator has the potential to dig a continuous open channel over more than six kilometre-long in the St. Anne River at St. Raymond without being limited by the presence of pools, shallows, consolidated or floating cover, a constraining clearance height under bridges,or dams

Cette thèse constitue une analyse de la dynamique du bois mort en rivière par une approche de bilan ligneux multi-scalaire dans une rivière semi-alluviale de région froide: la rivière Saint-Jean, Gaspé. L’étude de la variabilité spatiale et temporelle de la dynamique du bois mort a été réalisée grâce à une approche méthodologique combinant quatre années de terrain et par l’analyse de documents historiques. Les rivières de la péninsule gaspésienne produisent et transportent annuellement de grandes quantités de bois mort. Cette production provient à la fois de la puissance spécifique élevée des cours d’eau et de berges composées de sédiments peu cohésifs et comportant une ripisylve arborescente généralement dense. Jusqu’en 2015, le delta de la rivière Saint-Jean comportait plusieurs embâcles de bois de très grandes tailles. Ces embâcles se mettent en place depuis les années 1960, ils représentent une opportunité unique de quantifier et d’appliquer un budget ligneux pour cerner les variables clefs liées à la dynamique du bois mort à multiples échelles spatiales et temporelles.Nos résultats montrent que la quasi-totalité des bois morts en rivière est produite par la migration latérale et par l’influence de la morphologie. Au niveau des accumulations dans le corridor fluvial, deux zones accumulent la majorité des bois et ces premiers résultats montrent une mobilité importante qui peut varier fortement d'une année à l'autre. Au niveau de la mobilité, l’analyse d’imagerie vidéo de trois évènements différents ont montré que l’intensité (nombre de bois par minute) du transport de bois pouvait être jusqu’à dix fois supérieures durant un évènement avec débâcle mécanique glacielle, comparativement à un évènement hydroclimatique en eau libre.Finalement, nous avons réalisé une analyse par bilans ligneux et une analyse de la trajectoire éco-hydrophormologique sur une période de plus de 50 ans. Nous avons quantifié chaque composante (intrant, accumulée et sortie) d'un budget ligneux à multiples échelles spatio-temporelles. Autant à l’échelle interannuelle, qu’à l’échelle décennale, la dynamique du bois mort comporte des périodes où l’entrée de bois, le stockage et la mobilité diffèrent selon les contextes éco-hydromorphologiques. La trajectoire éco-hydromorphologiques suggère une augmentation de la dynamique fluviale en raison d'un changement significatif dans l'hydrologie conduisant à une plus grande production et mobilité des bois morts et par l'augmentation des volumes accumulés dans le corridor de la RSJ depuis 2004. / This thesis is an analysis of the dynamics of large wood in river by a multi-scale large wood budget approach in a semi-alluvial river of cold regions: the Saint-Jean River, Gaspé. The study of the spatial and temporal variability of the dynamics of large wood was carried out through a methodological approach combining four years of field and by analyzing historical documents. The rivers of the Gaspé Peninsula produce annually and carry large amounts of large wood. This production comes from the high specific power of rivers and by banks composed of noncohesive sediment and having a generally dense riparian forest tree. Until 2015, the Delta of the Saint-Jean River had several very large jams. These jams are put in place since the 1960s, they represent a unique opportunity to quantify and apply a wood budget and to identify key variables related to the dynamics of large wood at multiple spatial and temporal scales.Our results show that almost all large wood in river is produced by lateral migration and by the influence of the morphology. For the accumulations in the river corridor, two areas accumulate the majority of wood and these first results show a significant mobility, which can fluctuate substantially from year to year. In terms of mobility, video analysis of three different events showed that the intensity of the transport (number of large wood per minute) can be higher to ten times during an event with mechanical ice-breakup, compared to an open water.hydroclimatic event.Finally, we conducted an analysis by large wood budget and analysis of eco-hydromorphological trajectory over more than 50 years. We quantified each component (input, output and accumulated) of a large wood budget at multiple spatial and temporal scales. At the interannual scale or decadal, scale, the dynamics of large wood have periods when the input, storage and mobility of large wood differ according to eco-hydromorphological contexts. The eco-hydromorphological trajectory suggests an increase in river dynamics due to a significant change in the hydrology, resulting in higher production and mobility of large wood and increased in volumes accumulated in the corridor of the Saint-Jean River since the last decade.