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La forêt boréale est le deuxième plus grand biome sur Terre, représentant 30 % de la surface forestière mondiale. Au Canada, bien que la forêt boréale couvre 55 % de la superficie du pays, elle contient 80 % des eaux intérieures dont dépendent des millions de personnes. La forêt boréale s'étendant de 45°N à 70°N, l'eau y est stockée en surface sous forme de neige pendant une grande partie de l'année. Ce manteau neigeux saisonnier s'accumule et fond en hiver, sous l'effet des échanges d'énergie et de masse avec l'atmosphère, le sol et la végétation. Comme la structure de la canopée est complexe, les dynamiques d'accumulation et d'ablation du manteau neigeux sont très variables à une fine échelle spatiale. Cela fait en sorte que la structure et les propriétés physiques du manteau neigeux peuvent également présenter une grande variabilité spatiale en milieu boréal. Dans un monde qui se réchauffe rapidement, il est essentiel de mieux comprendre comment les interactions entre la neige et la forêt influencent les propriétés du manteau neigeux et, conséquemment, les processus hydrologiques qui en dépendent. L'objectif de cette thèse est d'évaluer le rôle des propriétés physiques du manteau neigeux sur l'hydrologie nivale dans la forêt boréale de l'est du Canada et ce, dans un contexte d'hivers plus chauds. Cet objectif général est abordé dans les trois principaux chapitres de la thèse. Dans le premier chapitre, nous montrons que le manteau neigeux sous la canopée a une structure et des propriétés physiques différentes de ce que l'on retrouve dans les trouées forestières. Grâce à une campagne de terrain intensive d'octobre 2018 à juin 2019 à la Forêt Montmorency (47,29°N; 71,17°O), nous constatons que ces différences sont principalement dues à un manteau neigeux moins épais et un gradient de température vertical plus important sous la canopée. Il en résulte de plus gros grains facettés et un manteau neigeux perméable. En revanche, le manteau neigeux dans les trouées, plus épais et exposé à un gradient de température plus faible, est composé de grains fins et arrondis et présente une perméabilité plus faible. Cela, combiné à des couches de glace continues, implique que le manteau neigeux des trouées ralentirait l'écoulement de l'eau vers le bas par rapport au manteau neigeux sous les arbres. Les résultats du premier chapitre mettent la table pour la deuxième partie de la thèse où nous étudions comment un hiver chaud avec une faible précipitation solide affecte les propriétés physiques du manteau neigeux, le gel dans le sol et la dynamique de la fonte de la neige en forêt boréale. Cette analyse est réalisée grâce à deux campagnes de mesures supportées par des simulations avec le modèle SNOWPACK au cours d'hivers présentant des conditions météorologiques contrastées à la Forêt Montmorency. Le premier hiver à l'étude (W20-21) a été exceptionnellement chaud avec de faibles chutes de neige, alors que le deuxième hiver (W21- 22) a été plus proche de la normale climatique pour le site. Nous avons observé que la fonte était plus précoce et plus lente au cours de l'année chaude, en particulier sous la canopée où le rayonnement solaire était limité. La température du sol était plus basse l'année chaude, bien que le gel n'ait été observé que sous le couvert forestier au cours des deux années. Enfin, le métamorphisme de gradient et la perméabilité de la neige ont été les supérieurs sous les arbres au cours de l'hiver W20-21. Cette année-là, le débit printanier du bassin versant expérimental a été significativement plus faible que lors de l'année de référence. Nos observations suggèrent qu'une faible accumulation de neige, une fonte lente et de faibles précipitations printanières déterminent le débit printanier alors qu'un sol gelé et une perméabilité élevée de la neige affectent de façon négligeable la dynamique d'écoulement sur une grande échelle temporelle. Dans le troisième chapitre, nous abordons l'impact des événements de pluie-sur-neige en forêt sur la structure du manteau neigeux et l'écoulement d'eau grâce aux observations collectées de 2018 à 2023 à la Forêt Montmorency et à un autre site boréal, la vallée de la rivière Bernard (50,91°N; 63,38°O), et grâce à des simulations du modèle SNOWPACK. D'abord, nos observations montrent que l'écoulement préférentiel est un mode de transport de l'eau qui prévaut dans le manteau neigeux sous la canopée. Nos résultats montrent également que SNOWPACK simule bien le manteau neigeux sous la canopée en général, mais qu'il ne parvient pas à reproduire la plupart des couches de regel observées. Ce problème a été résolu en paramétrant de façon simplifiée le métamorphisme et la densification de la neige interceptée, ce qui permet de reproduire presque toutes les couches de regel observées. La décharge de neige dense à grains fins a aussi pour effet de retarder et réduire l'écoulement d'eau du manteau neigeux modélisé. Le message principal de ce chapitre est que les épisodes de pluie-sur-neige sont susceptibles de percoler à travers le manteau neigeux par écoulement préférentiel et que ce mécanisme peut être influencé par le métamorphisme de la neige interceptée. Dans l'ensemble, cette thèse permet de mieux comprendre les processus nivologiques en forêt boréale en considérant la structure complexe de la canopée. Ce travail met en lumière la façon dont les conséquences du changement climatique, c'est-à-dire des hivers plus chauds et moins enneigés et les épisodes de pluie-sur- neige plus fréquents, peuvent influencer les propriétés physiques du manteau neigeux et d'autres processus hydrologiques connexes. Plus important encore, cette thèse fournit un ensemble de données uniques et détaillées pour de futures études de modélisation et d'observation. / The boreal forest is the second largest biome on Earth, representing 30% of the world's forested area. In Canada, although the boreal forest covers 55% of the country's land area, it contains 80% of the inland water on which millions of people depend. Because the boreal forest ranges from 45°N to 70°N, water is stored on the land as snow for much of the year. The seasonal snowpack accumulates and melts in winter, driven by energy and mass exchanges with the atmosphere, soil, and vegetation. Due to the complex and discontinuous structure of the boreal canopy, snow dynamics are highly variable at small spatial scales in the boreal forest. In other words, snowpack accumulation and ablation patterns under the canopy differ from those within forest gaps. The structure and physical properties of the snowpack may also exhibit high spatial variability in the boreal forest. In a rapidly warming world, a deeper understanding of how snow-forest interactions influence snowpack properties and the depending hydrological processes is critical. The objective of this thesis is to assess the role of snowpack physical properties on snow hydrology in discontinuous boreal forests of eastern Canada in the context of warmer winters. This general objective is addressed in the three main chapters of the thesis. In the first chapter, we show that the canopy snowpack has a structure and physical properties that are different from those in forest gaps. Thanks to an intensive field campaign from October 2018 to June 2019 in the Montmorency Forest (47.29°N; 71.17°W), we find that these differences are mainly due to a larger vertical temperature gradient under the canopy, where the snowpack is thinner. This results in large grains with developed facets and snow of large pores highly permeable. In contrast, the gap snowpack, which is thicker and thus exposed to a weaker temperature gradient, is composed of small rounded grains, and presents a low permeability. This, combined with continuous ice layers, means that the gap snowpack would impede the downward water flow compared to the canopy snowpack. The results of Chapter 1 set the stage for the second part of the thesis in which we study how a warm winter with low snowfall affects the physical properties of snow, ground freezing and snowmelt dynamics in the discontinuous boreal forest. This analysis was carried out from field observations, and supported by SNOWPACK simulations, during winters with contrasting weather conditions at Montmorency Forest. The first winter (W20-21) was exceptionally warm with low snowfall, and the second year (W21-22) was closer to the climate normal for the site. We observed that snowmelt was earlier and slower in the warm year, especially under the canopy where solar radiation was limited. Ground temperature was lower in the warm year and freezing was observed only under the canopy in both years. Finally, gradient metamorphism and snow permeability were the greatest under the canopy in W20-21. That year, the spring runoff was significantly lower than in the reference year, suggesting that low snow accumulation, slow snowmelt, and low spring precipitation drive spring runoff, whereas frozen ground and high snowpack permeability are of secondary influence as theireffects on runoff dynamics are negligible on large temporal scales. In the third chapter, we address the impact of rain-on-snow events on the canopy snowpack structure and runoffthanks to field observations collected from 2018 to 2023 at the Montmorency Forest and at another boreal site,the Bernard River Valley (50.91°N; 63.38°W), and thanks to SNOWPACK simulations. First, we demonstratefrom observations that preferential flow is an important water transport mode in the snowpack under the trees.Our results also show that SNOWPACK is suitable for simulating canopy snow in boreal environments but failsto reproduce most melt-freeze formations. This problem was addressed by reproducing, albeit simply, canopysnow metamorphism and densification that allows to simulate almost all of the observed melt-freeze layers. Unloading of denser small-grained snow also delays and reduces the simulated runoff from rain-on-snow events. The take home message from this chapter is that rain-on-snow events are likely to percolate through thesnowpack from preferential flow and that this mechanism can be influenced by canopy snow processes. Overall, this dissertation provides a better understanding of snow processes in the boreal forest with respect tothe complex and discontinuous structure of the canopy. This work sheds light on how the consequences ofclimate change (i.e. warmer, less snowy winters and more frequent rain-on-snow events) may influence thephysical properties of the snowpack and other related hydrological processes. Most importantly, this thesisprovides a unique and detailed dataset for future modeling and observational studies.

Dans le cadre de la présente étude, un modèle géothermique tridimensionnel du pergélisol a été développé pour la toute première fois à l’échelle locale d’un village nordique afin d’évaluer les impacts des changements climatiques sur le pergélisol. Ce village est celui de Salluit au Québec nordique dans la zone de pergélisol continu. La majeure partie des infrastructures de ce village sont fondées sur un pergélisol salin riche en glace vulnérable aux changements climatiques. Le code numérique d’HydroGeoSphere a été modifié pour simuler la transmission de la chaleur par conduction avec changement de phase et tenir compte de la variation des propriétés thermiques du sol avec la température. Différents scénarios de changements climatiques lors du prochain siècle ont été utilisés pour alimenter le modèle géothermique. La variabilité spatiale du régime thermique du pergélisol simulée à l’échelle d’un village nordique est majeure lorsque l’hétérogénéité des dépôts, leur contenu en glace et les différentes conditions de surface observées sur le terrain sont considérés dans une modélisation numérique tridimensionnelle. L’influence des flux de chaleur latéraux dans cette modélisation produit des résultats qui sont dans certains cas significativement différents de ceux simulés au moyen d’un modèle unidimensionnel, particulièrement pour les sols sous d’importantes congères. Selon les scénarios de changements climatiques jugés pessimistes pour le maintien du pergélisol, un talik permanent se formera à partir de la seconde moitié du 21ième siècle sous les congères, en bordure d’un remblai routier où la neige et l’eau de fonte s’accumule à la surface d’un sol mal drainé et dans l’argile saline du secteur nord-est du village de Salluit. L’épaisseur maximale du talik à la fin du 21ième siècle varie entre 1,3 et 19,3 m respectivement dans l’argile et le roc sous les congères, alors qu’elle est de 2,8 m dans l’argile saline du secteur nord-est. Seuls les tills et le roc recouverts par d’importantes congères seront affectés par la présence d’un talik à la toute fin du 21ième siècle advenant un réchauffement climatique optimiste. Une dégradation plus importante du pergélisol sous les remblais routiers que pour un même sol en terrain naturel sous un couvert nival mince est à prévoir selon les scénarios climatiques pessimistes. Les infrastructures contruites sur des remblais seront potentiellement affectées par des tassements différentiels.

La modélisation de l’impact des différentes méthodes de réhabilitation, en fonction du temps d’initiation des dégradations, est le défi majeur dans le domaine de la durabilité des structures. La durabilité d’une structure est liée directement aux conditions d’exposition influencées par le climat et l’environnement où l’ouvrage est localisé. Selon le degré d’exposition, la vitesse de dégradation des structures peut alors s’accélérer ou être lente. Ce travail développe une étude approfondie sur l’exposition des structures en condition hivernales, qui comprend l’utilisation des sels de déglaçage. Une enquête a été réalisée pour connaître la quantité de sel utilisée au Québec et au Canada. En complément, les trois types de sel de déglaçage les plus utilisés ont été évalués afin de déterminer sa vitesse de progression dans un béton sous conditions hivernales sévères. Une station météorologique mobile MexStUL, munie des plusieurs capteurs de mesures temporelles, a été développé pour monitorer des conditions d’exposition dans deux sites expérimentaux soumis au climat hivernal rigoureux des années 2018/19. Il a été alors possible de prédire les facteurs climatiques (température, humidité, vitesse et direction des vents, ensoleillement et précipitations) et environnementaux (trafic, condition de route, concentration de sel sur la chaussée, aux éclaboussures et au brouillard salin) relatifs aux conditions d’exposition des structures. Des modèles ont été proposés afin de prédire l’exposition à travers du biais d’une station météorologique mobile ainsi que pouvoir évaluer l’influence spatiale de la concentration de sel de déglaçage. Un nouveau capteur a été développé, mesurant la concentration de brouillard salin sous condition hivernale sévère. Les résultats démontrent une importante variabilité spatiale de concentration pour l’exposition stagnante. Un modèle d’influence spatiale des éclaboussures a été proposé afin de délimiter ce type d’exposition. La concentration du brouillard salin pendant l’hiver montre une évolution importante et un modèle de concentration a été proposé et le volume de brouillard salin pendant l’hiver a pu être estimé. / Modeling the impact of the various rehabilitation methods, as a function of the initiation time of the damage, is the major challenge in the field of structural durability. The durability of a structure is directly linked to the exposure conditions influenced by the climate and the environment where the structure is located. Depending on the degree of exposure, the rate of degradation of structures can then accelerate or be slow. This work develops an in-depth study on the exposure of structures in winter conditions, which includes the use of de-icing salts. A survey was carried out to find out the amount of salt used in Quebec and Canada. In addition, the three most used types of de-icing salt were evaluated to determine its speed of progression in concrete under severe winter conditions. A mobile weather station MexStUL, designed with several sensors of temporal measures, has been developed to monitor exposure conditions in two different experimental sites on severe winter conditions during 2018/19. It was then possible to predict the climatic (temperature, humidity, speed and wind direction, sunshine and precipitation) and environmental factors (traffic, road condition, salt concentration on road, splashes and salt laden mist) relating to the conditions of exposure of the structures. Models were proposed to predict exposure condition using a meteorological station and evaluation of spatial influence of de-icing salt on different types of exposure as well. A new sensor has been developed, measuring the concentration of salt laden mist under severe winter conditions. Results demonstrate an important spatial variability on stagnant water. A model about spatial influence of brine splashes is proposed to delimit this type of exposure. Airborne concentration during winter climate shows an important evolution and a concentration model is proposed and the volume of salt laden mist is also determined during winter.

Cette thèse est une étude paléolimnologique et environnementale de la région nord-côtière de la péninsule d'Ungava, Nunavik (Québec nordique, Canada). Son objectif principal était d'évaluer l'ampleur des variations environnementales et climatiques survenues dans cette région pendant l'Holocène, et de mieux comprendre leurs effets sur l'évolution des écosystèmes lacustres. Une méthodologie variée a été utilisée afin d'atteindre les objectifs spécifiques. Tout d'abord, l'analyse du signal isotopique des eaux météoriques a permis de caractériser certains paramètres hydroclimatiques et de dresser une ligne locale des eaux météoriques, contribuant à une meilleure compréhension du système climatique actuel de la région. Puis, sept séquences sédimentaires lacustres ont été analysées. Des chronologies ont été établies utilisant deux méthodes de datation basées sur l'analyse isotopique radioactive (210Pb et 14C). Dû à l'absence de restes végétaux de masse suffisante, les acides mimiques contenus dans les sédiments ont servi pour le traitement ' C. Cette technique peu utilisée a généré de bons résultats, surtout pour le début du postglaciaire. L'analyse du contenu fossilifère des sédiments a révélé que les assemblages de Chironomidae avaient réagi à la déglaciation de façon similaire et synchrone dans des localités éloignées de quelque 300 km. L'application de deux modèles d'inférence basés sur les assemblages modernes de Chironomidae a généré des reconstitutions quantitatives des températures de l'air de l'eau de surface estivale à des résolutions temporelles variées. Leur comparaison a mis en évidence certaines incertitudes accompagnant de telles reconstitutions, malgré les traitements et tests statistiques rigoureux. Finalement, l'analyse de la diversité et la composition des assemblages fossiles de diatomées dans les lacs à l'étude a démontré qu'elles étaient demeurées très stables pendant les 3000 à 5000 dernières années. Cette stabilité indique que la région n'a pas subi de variations environnementales assez importantes depuis la fin de la déglaciation pour avoir eu un impact majeur sur ces organismes, considérés comme étant sensibles à tout changement dans leur environnement physico-chimique. Toutefois, de récentes augmentations de la quantité d'algues siliceuses et du contenu en carbone organique du sédiment suggèrent que la région serait en train de se réchauffer à un degré encore jamais atteint durant l'Holocène. / This thesis is a paleolimnological and environmental study of the North coastal region of Ungava Peninsula, Nunavik (northern Québec, Canada). Its main goal was to evaluate the extent of environmental and climatic variations in this region during the Holocene, and to better understand their effects on lake ecosystems. A combination of biogeochemical and biostratigraphic approaches was used to reach this objective. Firstly, the isotopic signal of meteoric waters was analysed in order to characterize modem hydroclimatic parameters. A local meteoric water line was generated and contributed to a better understanding of the current climate system in the study region. Secondly, seven lacustrine sediment cores were analysed. Chronologies were established using a combination of two dating methods based on radioactive isotope decay (210Pb and 14C). Due to the absence of plant remains of sufficient mass, the humic acid fraction of the sediments was used for the 14C dating. This rarely used technique generated good results for the early postglacial in particular. A detailed analysis of the microfossil contents of the sediment cores revealed that the fossil chironomid larval assemblages responded to the effects of glaciation in a similar and synchronous fashion at locations separated by some 300 km. Two inference models based on modem chironomid assemblages allowed reconstructions of past August air and summer surface water temperatures over various timescales, but also revealed uncertainties that accompany such quantitative inferences despite sophisticated screening techniques. Finally, an in-depth analysis of the abundance, diversity and composition of the fossil diatom assemblages in each of the study lakes provided new insights into the primary productivity of these lakes at various times during the Holocene. The high level of stability in diatom assemblage composition since the end of glaciation indicates that the study region did not experience environmental changes that were ecologically profound enough to these organisms, generally considered to be sensitive to variations in the physical and chemical conditions of their habitat. Recent increases in abundances of siliceous microfossils and sediment organic matter content suggest that the region might be showing early signs of unprecedented climatic warming.

La ville de Québec s’approvisionne en grande partie (57 %) en eau potable au sein du bassin versant de la rivière Saint-Charles. La majeure partie est directement prélevée dans la rivière Saint-Charles et une moindre partie est prélevée par des puits municipaux ou des puits privés qui constituent souvent le seul moyen d’approvisionnement. Les changements climatiques anticipés et le développement urbain de la ville de Québec pourraient avoir un impact important sur cette ressource en eau. Dans le but d’estimer l’impact des changements climatiques et du développement urbain sur la ressource en eau du bassin versant de la rivière Saint-Charles, un modèle numérique du bassin versant couplant les écoulements de surface et souterrains ainsi que l’évapotranspiration a été réalisé avec HydroGeoSphere (HGS). La première étape de la méthodologie est de caler un modèle sur l’état actuel (période 1971-2000). La seconde étape consiste à appliquer au modèle calé de nouvelles conditions représentant l’état futur du climat et le développement urbain afin de pouvoir comparer ces résultats avec l’état actuel. Les nouvelles conditions limites représentant l’état futur sont obtenues en mettant à l’échelle, avec la méthode des « deltas », les projections climatiques faites par des modèles de circulation générale (MCG) pour la période 2071-2100 et différents scénarios de développement urbain pour la période 2080 ont été réalisés. Les résultats montrent que durant les hivers plus chauds, les hauteurs d’eau (eau de fonte et précipitations pluvieuses) pourraient être entre 4 et 7,5 fois plus importantes selon les scénarios et qu’en période estivale l’évapotranspiration réelle augmenterait entre 15 % et 25 %. On observerait alors des débits hivernaux entre 2 et 3 fois supérieurs à ceux actuels, des crues printanières plus précoces (entre 10 et 30 jours) et des débits estivaux diminués de 10 % à 25 %. Les niveaux piézométriques hivernaux devraient être sensiblement plus élevés qu’actuellement surtout dans le roc sur les hauts topographiques où l'on observe des augmentations pouvant dépasser les 15 m. En période estivale, on observe une diminution des niveaux piézométriques localisée sur les hauts topographiques, mais également sur les aquifères granulaires au sud. On constate également que les effets du développement urbains sont beaucoup moins importants que ceux induits par les changements climatiques. Le principal effet est d’augmenter légèrement les débits hivernaux (max +0.6 m3/s). / The main part (57%) of Quebec City drinking water comes from the Saint-Charles River watershed. Most of this water is pumped directly from the river but a significant volume of groundwater is also supplied from municipal and private wells in bedrock and granular aquifers. The anticipated climate change and the probable urban area development of Quebec City could have an important impact on these water resources. To assess and quantify the impact of climate change and urban development on water resources of the Saint-Charles River watershed, a 3D numerical model was developed. This numerical model simulates surface water and groundwater flow dynamics for the catchment, using the physically-based, fully integrated, variably-saturated 3-D surface-subsurface simulator HydroGeoSphere (HGS). The first step of the methodology was to build and calibrate the model under current climate conditions (1971-2000). The second step was to identify climate projections from general circulation models (GCMs) with different emission scenarios and to downscale their output (with the “delta change” method) to the catchment scale, as well as to propose urbanisation scenarios. Using the calibrated model as a starting point, the output of the GCMs and urbanisation scenarios were then used as boundary conditions in the numerical model for predictive simulations. Results show that, compared to current conditions, the amount of water (snowmelt water and rainfall) could be about 4 to 7 times greater during warmer winters, according to different emission scenarios, and evapotranspiration could increase by about 15 % to 25 % during warmer summers. These changes could increase winter stream flows by a factor of 2 to 3, and lead to earlier occurrence of snowmelt floods during springs, (by 10 to 30 days), and a reduction of 10 % to 25 % of summer stream flows. In winter, hydraulic heads would dramatically increase, by more than 15 m, mainly in the high-elevation areas and, in summer, hydraulic heads would decrease in the high-elevation areas as well as in the low-elevation areas for the granular aquifers. The simulated effects of urban development on hydraulic heads and stream flows are lower than those induced by climate change. The main effect of planned urban development is an increase (max +0.6 m3/s) of monthly mean stream flow during winter.

Nous avons utilisé la télédétection pour examiner comment l’abondance du caribou migrateur pouvait influencer la quantité de ressources alimentaires, et comment ces changements pouvaient affecter la dynamique de population et les patrons d’utilisation de l’espace des caribous. Nous avons évalué les relations entre le caribou et ses ressources alimentaires pour l’aire de mise bas et l’aire d’estivage du troupeau Rivière-George (TRG) du nord du Québec et du Labrador (Canada) entre 1991 et 2011. Nous avons modélisé les relations entre la productivité primaire et des variables climatiques, nous permettant d’isoler les effets d’autres facteurs, comme la pression de broutement des caribous. Nous avons trouvé une relation négative entre la densité de caribous et la productivité primaire à grande échelle, suggérant que la pression de broutement par les caribous pouvait réduire l’abondance des ressources alimentaires et contribuer à la dégradation de l’habitat. Une forte tendance au réchauffement durant la période d’étude, couplée avec un déclin de la taille de population du TRG, a cependant entrainé une productivité primaire plus élevée. Cette hausse de la productivité primaire pourrait représenter un rétablissement de la végétation suite à la réduction de la pression de broutement et/ou un effet du réchauffement climatique. / This thesis used remote sensing to examine how changes in caribou abundance can impact forage availability, and how these changes might in turn affect the population dynamics and space use patterns of migratory caribou. We investigated these relationships for the Rivière-George caribou herd (RGH) and its calving grounds and summer range in Northern Quebec and Labrador (Canada) from 1991-2011. We modelled the relationships between primary productivity and various climatic variables, allowing us to isolate the effects of non-climatic factors, such as caribou herbivory, on primary productivity. We found a negative relationship between caribou density and primary productivity at the range-scale, suggesting that caribou herbivory can reduce forage abundance and contribute to habitat degradation. However, a strong warming trend over the study period, coupled with a decline in RGH population size, meant that we observed a trend towards higher primary productivity. This greening trend may represent vegetation recovery following the reduction in caribou herbivory and/or an effect of climate warming.

Les apports importants d'eau douce en provenance d'un grand bassin versant constituent l'une des caractéristiques principales de la baie d'Hudson, une mer subarctique située au Canada. Dans la baie d'Hudson, le couplage entre l'eau salée et l'eau douce exerce une grande influence sur l'ensemble des paramètres physiques, biogéochimiques et biologiques. Au cours des dernières décennies, la baie d'Hudson a subi d'importantes modifications associées aux changements climatiques mais aussi à l'installation de grandes infrastructures hydroélectriques qui régulent les apports d'eau douce par les rivières. Alors que ces changements sont susceptibles d'avoir un impact sur les écosystèmes dans la baie, peu d'attention a été portée sur la composition et la distribution des communautés planctoniques qui sont pourtant un maillon essentiel des réseaux trophiques marins. Au sein du projet BaySys qui vise à fournir une base scientifique afin de séparer les impacts liés aux changements climatiques de ceux de la régulation des cours d'eau dans la baie d'Hudson, cette thèse de doctorat a pour objectif d'établir un état des lieux de la diversité et de la distribution spatiale des communautés microbiennes présentes dans la baie d'Hudson. Pour répondre à cet objectif, nous avons utilisé une approche de séquençage haut débit des gènes de l'ARNr et de l'ARNr 18S et 16S afin de déterminer l'influence des paramètres environnementaux mesurés sur le terrain sur les communautés de protistes et de procaryotes. Les résultats ont montré que le débit des rivières modifie la composition des communautés de protistes au niveau des estuaires dans la rivière Nelson, Churchill et Grande Rivière de la Baleine. Dans la rivière Nelson, la forte circulation estuarienne permet la remontée d'eau riches en nutriments qui favorise la présence de diatomées du genre Rhizosolenia. Cependant, à l'échelle de la baie, les apports d'eau douce au printemps et a l'été au niveau des cotes entraine une forte stratification qui limite la croissance du phytoplancton et favorise les taxa hétérotrophes, notamment les Dinoflagellés. Dans ces eaux de surface fortement stratifiées, nous avons pu mettre en évidence la présence de 7 espèces phytoplanctoniques potentiellement toxiques. Le changement de régime de la glace de mer au printemps entraine une succession d'organismes eucaryotes et procaryotes associés à la dégradation des efflorescences de phytoplancton. Ces changements de communautés en surface modifient l'origine des apports de matière organique dans les écosystèmes profonds de la baie. En générant un nouvel état des lieux de la composition des communautés de protistes et de procaryotes à différentes échelles spatiales, les résultats de cette étude permettent de mieux comprendre l'influence des apports d'eau douce sur les communautés microbiennes dans la baie d'Hudson. Cette thèse constitue ainsi un nouvel outil pour mieux appréhender l'influence des perturbations d'origine anthropique sur les réseaux microbiens marins dans la baie d'Hudson. / The Hudson Bay is a sub-Arctic sea in Canada that receives massive freshwater inflows from a large watershed. In Hudson Bay, the freshwater-marine coupling has a strong influence on physical, biogeochemical and biological processes. In recent decades, Hudson Bay has undergone significant changes associated with climate change and the installation of large hydroelectric infrastructures that regulate freshwater inflows from rivers. While these changes are likely to have an impact on ecosystems in the bay, little attention has been paid to the composition and distribution of planktonic communities, which are an essential link in marine food webs. As part of the BaySys project, which aims to provide a scientific basis to separate climate change effects from those of regulation of freshwater on physical, biological and biogeochemical conditions in Hudson Bay, this PhD thesis aims to establish a baseline of the diversity and spatial distribution of microbial communities in Hudson Bay. To address this objective, we used a high-throughput sequencing approach for 18S rRNA and 16S rRNA genes to determine the potential influence of environmental parameters measured in the field on protist and prokaryote communities. The results showed that river flow altered the composition of protist communities in the estuaries of the Nelson, Churchill and Great Whale rivers. In the Nelson River estuary, strong estuarine circulation allows the upwelling of nutrient-rich water which favours the presence of diatoms of the genus Rhizosolenia. At the bay scale in spring and summer, the freshwater inflow leads to a strong stratification which limits the growth of phytoplankton species and favours heterotrophic taxa, particularly dinoflagellates. In these highly stratified surface waters, we were able to identify the presence of 7 potentially toxic phytoplankton species. The changing of the sea ice regime in spring resulted in a succession of eukaryotic and prokaryotic organisms associated with the degradation of phytoplankton blooms. These changes modified the diatom sinking particles reaching the bottom of the Hudson Bay. By generating a new picture of the composition of protists and prokaryotes at different spatial scales, the results of this study provide a better understanding of the influence of freshwater inputs on microbial communities in Hudson Bay. This study thus constitutes a new tool to better understand the influence of anthropogenic disturbances on marine microbial networks in Hudson Bay.

L’objectif de cette étude était d’évaluer les effets du réchauffement climatique (augmentation de température et des nutriments dans le sol) combinés au broutement simulé sur la disponibilité et la qualité du bouleau glanduleux (Betula glandulosa), une des ressources alimentaires estivales du caribou migrateur (Rangifer tarandus). Le broutement modéré et élevé a diminué la biomasse des feuilles de bouleau. L’augmentation de température a diminué la biomasse et devancé la phénologie, ce qui pourrait éventuellement affecter la synchronisation entre les besoins nutritifs du caribou et la disponibilité du bouleau. L’augmentation en nutriments dans le sol tendait à augmenter la biomasse et la qualité des feuilles, alors que le broutement élevé combiné à l’augmentation des nutriments dans le sol a diminué la concentration en fibres, améliorant la qualité des feuilles de bouleau. La dominance des effets du broutement pourrait n’être que temporaire, puisque les effets du réchauffement climatique sont directionnels et qu’ils pourraient graduellement surpasser les effets du broutement sur les arbustes. / The main objective of this study was to assess the effects of climate warming (increased temperature and soil nutrient availability) and simulated browsing on the availability and quality of dwarf birch (Betula glandulosa), one of the summer resources of migratory caribou (Rangifer tarandus). Moderate and heavy browsing reduced the biomass of dwarf birch leaves. Warming reduced the biomass and advanced the phenology of dwarf birch, potentially affecting the synchrony between caribou nutritive requirements and the availability of dwarf birch. An increase in soil nutrients availability tended to increase the biomass and quality of dwarf birch leaves, while heavy browsing combined to indirect effects of climate warming reduced fiber concentration, improving the quality of dwarf birch leaves. Dominance of browsing effects could be temporary, since climate warming effects are directional and could gradually surpass browsing effects on shrubs.

La performance à long terme du réseau routier au Québec est fortement influencée par le climat et les conditions météorologiques (Doré et Zubeck, 2008). Parmi ces facteurs, des niveaux élevés de saturation dans les sols et les matériaux de chaussée peuvent être une cause importante de la détérioration des routes. Selon des scénarios de changements climatiques établis par Ouranos, le sud du Québec subira des augmentations de précipitations moyennes mensuelles de -0,1 % à 8,45 % sur un horizon de 2010 à 2039. Le but de ce projet est de quantifier l’effet de ces futures augmentations sur le comportement mécanique des structures de chaussées et des sols. Basé sur les données collectées dans des sections de routes instrumentées, une relation entre les précipitations et l’augmentation du niveau de saturation des couches de chaussée est proposée. Afin de déterminer la relation entre les propriétés mécaniques et la teneur en eau, les comportements en module réversible et en déformation permanente (quatre différents sols) ont été déterminés avec des essais triaxiaux et ont été validés avec un simulateur de charge routier. Une analyse d’endommagement est effectuée afin de quantifier la diminution de la durée de vie utile causée par les changements climatiques. Il a été montré que les augmentations de précipitations, prévues au Québec, auront un impact significatif sur la performance des chaussées. Ainsi, certaines techniques de mitigation seront proposées pour pallier la diminution de la vie utile des chaussées. / The long-term performance of the road network of the province of Quebec (Canada) is strongly influenced by the climate and the weather conditions. Amongst other factors, high levels of saturation in soils and pavement materials are believed to be an important cause of pavement deterioration. According to the climate change scenarios established by Ouranos (2010), the North and South of Quebec will undergo an average precipitation increase from -0.1% to 8.45% in a future horizon of 2010-2039. The purpose of this project is to quantify the effect of these expected precipitation increases on the mechanical behavior of road structures, materials and soils. Based on literature and on data collected on instrumented road sections, a relationship between precipitation increase and saturation level of pavement layers is proposed. The resilient modulus and permanent deformation behavior for various water contents and four different subgrade soils was determined using triaxial tests, which were validated using small-scale heavy vehicle simulator, in order to determine the existing relationship between mechanical properties and moisture contents. Using the precipitation increase scenarios and the preset models, a damage analysis is performed to quantify the decrease of pavements service life caused by climate change. It is found that climate change, and more precisely the increase of precipitation expected in the Province of Quebec, will have a significant impact on pavement performance and that adapted pavement structures and materials, such as improved drainage, increased structural capacity or materials with reduced sensitivity to water, are possible options to reduce the loss of pavement life associated with climate change.