Il est crucial de modéliser avec précision les interactions entre les eaux de surface et l'atmosphère dans les modèles météorologiques et climatiques, étant donné la nature contrastée de leurs propriétés avec les milieux terrestres adjacents. En région froide, la dynamique des interactions lac-atmosphère est considérablement perturbée en présence d'un couvert de glace, entraînant des changements substantiels dans l'albédo, la rugosité de surface et les échanges de chaleur par rapport aux périodes d'eau libre. La modélisation des flux de chaleur en surface ainsi que l'apparition et la disparition du couvert de glace restent un défi, car les observations directes et mesures *in situ* pendant l'hiver disponibles pour la validation sont rares, en particulier aux hautes latitudes. L'objectif principal de cette étude est de mener une évaluation détaillée du Canadian Small Lake Model (CSLM), un modèle de lac dynamique unidimensionnel dans deux plans d'eau boréaux distincts. Pour ce faire, deux objectifs ont été définis: 1) valider la capacité du CSLM à reproduire le bilan d'énergie en surface et la stratification thermique d'un réservoir hydroélectrique subarctique dans l'est du Canada; 2) valider la capacité du CSLM à simuler la dynamique de glace ainsi que le régime thermique d'un petit lac boréal. Dans un premier temps, le CSLM a été évalué à l'aide d'observations directes pluriannuelles des flux de chaleur turbulents recueillies sur et autour du réservoir hydroélectrique de 85 km² de la Romaine-2 (50,7°N; 63,2°O) par deux tours à flux : l'une fonctionnant toute l'année sur la berge et l'autre sur un radeau pendant les conditions d'absence de glace. Le CSLM, qui simule le régime thermique de la masse d'eau, y compris la formation de glace et la physique de la neige, est exécuté en mode hors ligne et forcé par des observations météorologiques locales du 25 juin 2018 au 8 juin 2021. Les comparaisons entre les observations et les simulations confirment que le modèle CSLM peut raisonnablement reproduire les flux de chaleur turbulents et le comportement de la température du réservoir, malgré la nature unidimensionnelle du modèle qui néglige les entrées et sorties d'énergie associées aux opérations du réservoir. La meilleure performance est obtenue au cours des premiers mois suivant la fonte de glace (erreur moyenne = −0.3 W m⁻² et erreur moyenne = −2.7 W m⁻² pour les flux de chaleur latente et sensible). Le modèle est trop sensible aux vents forts, ce qui conduit à des erreurs dans l'estimation de la température de l'eau et, finalement, à un gel précoce. Le modèle surestime l'évaporation annuelle mesurée, corrigée de l'absence de clôture du bilan d'énergie, de 5 % et 16 % en 2019 et 2020. Le deuxième objectif consiste à piloter le CSLM en mode hors ligne par des observations météorologiques locales sur le lac Piché, d'une superficie de 0,15 km² et d'une profondeur de 3 m (47,32°N ; 71,15°O), du 25 octobre 2019 au 20 juillet 2021. Les résultats du modèle ont été validés par les observations du profil vertival de température de l'eau ainsi que de les couverts de glace et de neige. Les comparaisons entre les observations et les simulations confirment que le CSLM est plutôt capable de reproduire l'épaisseur totale de la glace (erreur moyenne de 15 cm), néanmoins l'épaisseur de chacune des couches de glace présente des erreurs, une sous-estimation de la glace de congélation et une surestimation de la glace blanche. Le CSLM parvient à modéliser relativement bien l'épaisseur de neige (erreur moyenne = 5 cm). Cependant, il présente un biais moyen de la température de neige de −2°C et une sous-estimation de la masse volumique moyenne de la neige de 34 kg m⁻³. Les dates de gel et de dégel observées et modélisées sont très similaires. Dans l'ensemble, le modèle est capable de prédire la durée du couvert de glace avec une précision de 10 jours. Le CSLM reproduit avec succès la stratification saisonnière, la profondeur de la couche de mélange et les températures de l'eau en surface, mais il présente des divergences dans la simulation de la température de l'eau au fond du lac ainsi que de la stratification inverse pendant la période de glace. Dans l'ensemble, les résultats de cette thèse montrent le CSLM est un outil plutôt robuste pour reproduire les échanges d'eau et d'énergie entre la surface terrestre et l'atmosphère. Certaines zones d'amélioration sont ciblées, notamment le besoin d'investiguer les apports latéraux d'énergie lorsque le système simulé est un réservoir et le recours à une modélisation plus détaillée du couvert de neige sur les lacs. / Accurately modeling the interactions between inland water bodies and the atmosphere in meteorological and climate models is crucial, given the marked differences with surrounding landmasses. In cold regions, the dynamics of lake-atmosphere interactions are significantly disrupted during ice-covered months, inducing substantial changes in albedo, surface roughness, and heat exchanges relative to ice-free periods. Modeling surface heat fluxes and the appearance and disappearance of the ice cover remains challenging because direct observations and *in situ* winter observations available for validation are rare, especially at high latitudes. The main objective of this study is to conduct a detailed evaluation of the Canadian Small Lake Model (CSLM), a one-dimensional mixed-layer dynamic lake model in two distinct boreal water bodies. To achieve this goal, two main objectives were defined: 1) validation of the capacity of the CSLM to reproduce the surface energy balance and thermal stratification of a subarctic hydroelectric reservoir in eastern Canada, and 2) validation of the capacity of the CSLM to simulate the ice dynamics and thermal regime of a small boreal lake. Initially, the CSLM was evaluated using multi-year direct observations of turbulent heat fluxes collected on and around the 85 km² Romaine-2 hydroelectric reservoir (50.7°N; 63.2°O) by two flux towers: one operating year-round on the shore and one on a raft during ice-free conditions. The CSLM is run in offline mode and forced by local weather observations from 25 June 2018 to 8 June 2021. Comparisons between observations and simulations confirm that CSLM can reasonably reproduce the turbulent heat fluxes and the temperature behavior of the reservoir despite the one-dimensional nature of the model, which neglects energy inputs and outputs associated with reservoir operations. The best performance is achieved during the first few months after the ice break-up (mean error= −0.3 W m⁻² and mean error= −2.7 W m⁻² for latent and sensible heat fluxes). The model overreacts to strong wind events, leading to subsequent poor water temperature estimates and an early freeze-up. The model overestimated the measured annual evaporation corrected for the lack of energy balance closure by 5% and 16% in 2019 and 2020. The second objective is to drive the CSLM in offline mode by local weather observations, which is run on Lake Piché, 0.15 km² and 3 m deep (47.32°N; 71.15°W) from 25 October 2019 to 20 July 2021 and compared to observations of the temperature profile and ice and snow cover properties. Comparisons between observations and simulations confirm that the CSLM is able to reproduce the total ice thickness (average error of 15 cm) but not the ice type-specific thickness, underestimating clear ice and overestimating snow-ice. CSLM manages to model snow depth relatively well (mean bias of 5 cm). However, it has an average warm bias of 2°C and an underestimation of average snow density of 34 kg m⁻³. Observed and model freeze-up and break-up dates are very similar. Overall, the model is able to predict the longevity of the ice cover to within 14 days. CSLM successfully reproduces seasonal stratification, the mixed layer depth, and surface water temperatures, while it shows discrepancies in simulating bottom waters, especially during the open water period. Overall, the results of this thesis show the CSLM to be a fairly robust tool for reproducing water and energy exchanges between the land surface and the atmosphere. Some areas for improvement are identified, notably, the need to investigate lateral energy inputs when the simulated system is a reservoir and the use of more detailed lake snow cover modeling.

Les lacs de thermokarst (lacs et étangs peu profonds causés par le dégel du pergélisol) ont été identifiés comme des écosystèmes d'eau douce d’une importance capitale étant donné leur grande abondance dans le Nord circumpolaire et leur production intense des gaz à effet de serre. L'objectif de cette étude de doctorat était de caractériser le plancton autotrophe de ce type du lac, en mettant l'accent sur deux groupes écologiques de cyanobactéries (les espèces responsables des floraisons et les espèces picoplanctoniques), et d’évaluer leur sensibilité potentielle aux changements climatiques. Des lacs de thermokarst ont été échantillonnés dans une multitude de paysages dans le Nord du Québec où les effets des changements climatiques sont présentement observés. La structure des communautés de phytoplancton ainsi que l’influence des variables environnementales sur celles-ci ont été évaluées par plusieurs méthodes dont le profilage vertical de lacs, l’analyse de pigments photosynthétiques par chromatographie liquide à haute performance, l'analyse de picoplancton par cytométrie en flux, l’analyse moléculaire de la structure des communautés de protistes et l'analyse des échantillons d'eau du lac par microscopie inversée. Aussi, un effet direct (réchauffement) ainsi qu’un effet indirect (enrichissement en phosphore) des changements climatiques sur les lacs de thermokarst ont été évalués par une expérience d’incubation. Enfin, l’effet de la température sur la relation trophique herbivores-cyanobactéries a été évalué à l’aide d’un système en laboratoire. Pour ce faire, des clones tempérés et subarctiques de l’espèce de zooplancton clé Daphnia pulex ainsi qu’une souche de picocyanobactéries de haute latitude ont été utilisés. Les résultats indiquent que les lacs de thermokarst, ainsi qu’un ensemble de lacs de référence, contenaient des pigments photosynthétiques diversifiés provenant du plancton autotrophe. Certains pigments indicateurs pour les cyanobactéries et les bactéries photosynthétiques sulfureuses vertes étaient présents. Les indicateurs de l’état trophique d’un lac (les concentrations de chlorophylle a et de phosphore total) ont révélé que les lacs de thermokarst étaient plus eutrophes que les lacs oligotrophes de référence. Les communautés phytoplanctoniques des deux groupes de lacs se composaient de faibles concentrations de cyanobactéries formant des floraisons et de picocyanobactéries, mais dans des proportions très variables de leur biovolume phototrophe total. Les résultats des expériences suggèrent que le réchauffement climatique pourrait, à la fois directement et indirectement, stimuler la croissance et la dominance des cyanobactéries ainsi que de détériorer la qualité du phytoplancton dont le zooplancton se nourrit. Les chrysophytes ont également été stimulés par des températures plus chaudes. Le taux de croissance et la performance des daphnies subarctiques ont diminué avec des températures plus élevées et de la nourriture de moins bonne qualité (les seuils d’alimentation ont augmentés), mais dans une moindre mesure que pour le clone tempéré. Les lacs de thermokarst sont un groupe d’écosystèmes d’eau douce de haute latitude qui sont abondants dans les paysages de fonte du pergélisol et ils se distinguent par quelques caractéristiques limnologiques. Les résultats de cette recherche doctorale démontrent qu’ils contiennent du phytoplancton diversifié en termes de groupes de pigments, de classes de taille et de taxons, et ce malgré la forte atténuation de la lumière par la matière organique dissoute colorée et les particules en suspension, ainsi que par leur caractère fortement hétérotrophe. Les cyanobactéries pourraient devenir plus prédominantes dans les lacs de thermokarst avec les changements climatiques. De plus, l’effet combiné du réchauffement et de l’augmentation des charges en phosphore causeraient des floraisons de cyanobactéries plus fréquentes, ce qui influencerait la diversité du phytoplancton et l’efficacité du réseau alimentaire. / Given their great abundance throughout the circumpolar North, and their intense production of greenhouse gases, thermokarst lakes (shallow lakes and ponds caused by thawing permafrost) have been identified as a globally important class of freshwater ecosystems. The objective of this doctoral study was to characterize the autotrophic plankton of this lake type, with emphasis on two ecological groups of cyanobacteria (bloom-formers and picoplankton) and their responsiveness to climate change. Thermokarst lakes were sampled across a range of landscapes in northern Quebec. Phytoplankton community structure and relationships with environmental variables were assessed with a combination of methods including limnological profiling, pigment analysis by high performance liquid chromatography, picoplankton analysis by flow cytometry, molecular assays of protist community structure, and analysis of lake water samples by inverse microscopy. Additionally, an incubation experiment with thermokarst lake water was performed to evaluate the potential direct (warming) and indirect (phosphorus enrichment) effects of climate change. Finally, a laboratory system was designed and applied to test the effects of temperature on herbivore-cyanobacteria feeding relationships using subarctic and temperate clones of the keystone species Daphnia pulex, and a high latitude strain of picocyanobacteria. The results showed that thermokarst lakes as well as a set of reference rock-basin lakes contained diverse pigments originating from autotrophic plankton, including some pigments specific for cyanobacteria and green photosynthetic sulfur bacteria. Indicators of trophic status (chlorophyll a and total phosphorus concentrations) showed that the thermokarst lakes were more enriched than the oligotrophic reference lakes. The phytoplankton communities of both groups contained low concentrations of bloom-forming cyanobacteria and picocyanobacteria, but in highly variable proportions of their total phototrophic biovolume. The experimental results indicated that climate warming may both directly and indirectly stimulate cyanobacterial growth and dominance, and may cause a decrease in phytoplankton food quality for zooplankton. Chrysophytes were also stimulated by warmer temperatures. The growth rate and performance of the subarctic Daphnia clone was negatively affected by higher temperatures and lower food quality (increased feeding thresholds), but to a lesser extent than the temperate clone. Overall, thermokarst lakes are a class of high latitude freshwater ecosystems that occur in high abundance across thawing permafrost landscapes and that have a number of distinctive limnological properties. Despite the strong attenuation of light by their coloured dissolved organic matter and suspended particles, and their strongly heterotrophic character, the results of this research show that they contain diverse phytoplankton in terms of pigment groups, size classes and taxa. Cyanobacteria may become more prevalent in these waters as a consequence of ongoing climate change. Cyanobacterial blooms are likely to follow the combined effects of warming and increased phosphorus loading, and would in turn affect phytoplankton diversity and the efficiency of food web processes.

Avec les changements climatiques, l’Arctique canadien se réchauffe et change d’année en année. Ces transformations affectent plusieurs aspects de l’écologie nordique. Elles doivent être surveillées afin d’être en mesure de les comprendre et d’anticiper les variations futures. L’élément principal des changements climatiques visé par ce projet est l’effet de la fonte des glaces sur l’apport en luminosité sous-marine spécifique à la photosynthèse des lacs nordiques canadiens. Ce projet résulte de la demande grandissante en instruments de surveillance. Il propose un prototype pour un système de collecte de la luminosité sous-marine pour les longueurs d’onde visibles qui sont d’intérêt pour l’étude des écosystèmes aquatiques. Le système se fonde sur des sondes à fibres optiques pour recueillir la lumière. La transmission du signal optique du point de collecte jusqu’à une unité de traitement permet une plus grande flexibilité concernant les sondes sous-marines comparativement aux senseurs électroniques commerciaux. Le prototype comprend plusieurs sondes optiques pour étudier différents angles ou profondeurs sous marines. Un spectrophotomètre permet d’analyser les bandes spectrales d’intérêt et une unité de contrôle permet de recueillir le signal des photodiodes et de sauvegarder de l’information. Un assemblage mécanique soutient et protège le système dans des conditions extrêmes. Le prototype a été déployé in situ et les données ont été analysées. En conclusion, les améliorations pouvant être apportées au système sont identifiées à partir de l’expérience acquise pendant le développement et le déploiement du prototype ainsi qu’à partir des données recueillies par celui-ci. / With the advent of climate change, the Canadian arctic is heating up and is changing from year to year. These transformations affect many aspects of the northern ecology. They need to be monitored as to be able to understand and predict the changes to come. The principal aspect of those changes aimed at in this project revolves around the effect of the melting of the ice cover on the underwater light intensity specifically used for the photosynthesis process in northern Canadian lakes. This project ensues from the necessity of monitoring instrument for those changes. It describes a prototype for an underwater light-gathering system focused on the visible wavelengths that are of interest for the study of aquatic ecosystems. The system is based on fiber optic probes to collect light. Optical signal transmission from the collection point to a processing unit offers a more flexible approach for underwater sensors compared to the more conventional electronic sensors. The prototype uses many optical sensors to gather light from different angles or depth underwater. A spectrometer is used to analyse the different wavelength bands of interest and a control unit is used to collect the signal from the photodiodes and record data. A custom mechanical setup protects and holds the system against extreme conditions. The prototype was deployed in the field and the data gathered were analysed. To conclude, some upgrades to the system were identified from the experience acquired while conceiving and deploying the instrument and from the data analysed as well.

Les lacs du Québec méridional sont soumis à des pressions humaines croissantes. Conséquemment, on observe une accélération de l’eutrophisation avec les effets indésirables y étant associés, comme un accroissement des cyanobactéries. La disponibilité du phosphore est l’élément « clé » de l’état de santé d’un lac, ce nutriment est essentiel à la croissance des cyanobactéries et des algues. Un excès de phosphore favorisera la prolifération des cyanobactéries. Ainsi, un juste équilibre est recherché pour maintenir un lac en santé et éviter son vieillissement prématuré. Bien que l’accroissement du phosphore s’inscrit dans le processus naturel de l’eutrophisation, l’enrichissement d’un lac devrait s’échelonner sur des millénaires plutôt que sur des dizaines d’années, comme observé dans certains lacs subissant l’influence des activités humaines. La gamme des conditions rencontrée au cours du processus d’eutrophisation a permis d’établir une échelle de qualité des lacs basée sur les différentes espèces de diatomées. En s’appuyant sur les préférences écologiques des diatomées, des outils ont été créés pour documenter, d’une part, les concentrations en phosphore qui prévalaient dans les lacs par le passé, et d’autre part, l’évolution de leur état trophique. Nous avons démontré que la composition des assemblages de diatomées était principalement influencée par la physico-chimie de l’eau et la morphométrie des lacs, et que les changements engendrés par l’eutrophisation sur ces derniers facteurs transformaient la composition des assemblages de diatomées. Conséquemment, la similarité entre les assemblages a permis de départager plusieurs groupes de diatomées correspondants à des états trophiques particuliers. Une typologie des lacs a été développée pour les communautés moderne et fossile de diatomées. Incidemment, la différence entre les assemblages de diatomées permet maintenant d’estimer l’ampleur des changements trophiques survenus dans un lac au cours du temps. Finalement, les outils développés et les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse ont été utilisés pour la création de « MILQ », soit une Méthode pour évaluer l'Intégrité écologique des Lacs tempérés du Québec. MILQ permettra d’établir l’état de santé actuel d’un lac et l’ampleur des changements trophiques survenus depuis l’arrivée des colons européens. / The lakes of southern Québec are under increasing human pressure. Consequently, increased eutrophication often generates an increase of cyanobacteria. Based on the ecological preferences of diatoms, diagnostic and biomonitoring tools were developed to document baseline conditions of total phosphorus in the water column of lakes and the evolution of trophic status. Our series of lakes represent a range of trophic states representing different levels of eutrophication. We have demonstrated that the composition of diatom assemblages in the study sites was mainly influenced by the water chemistry and lake morphometry, and changes of these factors caused by eutrophication transformed the community of diatoms. The similarity or discrepancy among the diatom assemblages allowed for the separation of several groups of assemblages corresponding to different trophic states. A typology of lakes has been developed for both modern and fossil diatom communities. The comparison between the two typologies was used to assess the maximum distance between assemblage groups representing oligotrophic and hypereutrophic conditions. In this way, we estimated the extent to which trophic changes occurred over time in a lake. It has also been possible to develop inference models to document historical changes in total phosphorus concentrations in lake water columns. Finally, the monitoring tools developed and the knowledge acquired as part of this thesis were used to create "MILQ”: A Method for the evaluation of the ecological Integrity of temperate Lakes in Quebec.

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.

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.

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La compréhension du problème de l'exercice de la capacité internationale par les États fédérés nécessite la prise en compte des règles juridiques relatives aux droits constitutionnel et international. Toutefois, ces règles auxquelles réfère le problème de la capacité internationale des États fédérés sont souvent chargées de considérations politiques qui peuvent compliquer l'acquisition d'une connaissance juridique positive du phénomène. C'est pourquoi la compréhension du problème nécessite l'utilisation d'une analyse qui permette à la fois d'intégrer les aspects juridiques international et constitutionnel en plus de rendre compte de l'importante dimension politique. En tant que théorie interdisciplinaire, pluraliste et interactionnelle, le constructivisme juridique offre une grille d'analyse qui permet d'appréhender globalement le phénomène de la capacité internationale des États fédérés. Ce mémoire analyse donc les différentes questions que soulève l'exercice de la capacité internationale par les États fédérés à la lumière de la théorie juridique constructiviste. Afin d'illustrer concrètement le sujet, ce mémoire porte une attention particulière sur le cas du Québec. Sur la base du constructivisme juridique, ce mémoire analyse les différentes notions, concepts, discours et pratiques entourant l'exercice de la capacité international des États fédérés. Ainsi, il présente une analyse du discours du droit international sur la question et fait état des positions et des pratiques des gouvernements fédéral et québécois en la matière. Il aborde ensuite les questions fondamentales qui conditionnent l'exercice de la capacité internationale en général, soit la notion d'État et le concept de souveraineté. Suivant la manière dont sont appréhendés les phénomènes associés à l'exercice de la capacité internationale, la littérature qui est couverte dans ce mémoire démontre qu'il est possible de concevoir le système international comme une fédération informellement constituée et qui repose sur une division fonctionnelle des tâches. Enfin, ce mémoire présente une étude de cas qui intègre les différents éléments de la théorie juridique constructiviste et qui s'appuie sur la lecture des notions, concepts, discours et pratiques qui auront été analysés. Le mémoire présente donc la participation du Québec au régime de protection des Grands Lacs comme une illustration des mécanismes par lesquels la province forme et consolide différents aspects de son identité, dont notamment son identité internationale. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Canada, Québec, Fédéralisme, Capacité internationale, Régime de protection des Grands Lacs.

Les réservoirs constituent des ouvrages de retenue d'eau qui permettent de supporter une vaste gamme d'activités humaines telles que la production d'électricité et d'eau potable, l'irrigation, la navigation, etc. L'Est de la région boréale canadienne compte une part importante de réservoirs hydroélectriques. Le contexte actuel des changements climatiques affecte fortement ces écosystèmes et modifie ainsi l'hydrologie et la climatologie régionale via les échanges d'eau, d'énergie et de gaz à effet de serre (dioxyde de carbone, méthane, vapeur d'eau) avec l'atmosphère. Parmi ces échanges, l'évaporation, une composante essentielle des modèles climatique et hydrologique, demeure encore difficile à estimer à ce jour. Le bilan hydrique d'un réservoir reflète l'équilibre entre les flux massiques entrant et sortant, et permet d'anticiper l'évolution des volumes d'eau disponibles pour supporter les différents usages anthropiques. Il se compose des flux entrant et sortant, de la précipitation, de l'évaporation, qui mis ensemble peuvent faire varier le volume d'eau stocké. Via l'évaporation, le bilan d'énergie d'un réservoir est couplé au bilan hydrique, ce qui en motive son étude. Le bilan d'énergie d'un réservoir compare les flux de chaleurs advectifs, turbulents (sensible et latent) et de rayonnement net. Même si beaucoup d'études ont analysé et quantifié le bilan énergétique des plans d'eau, des lacunes demeurent. En effet, peu d'entre elles ont été effectuées sur des réservoirs hydroélectriques, de surcroît en zone boréale. De plus, lorsque disponibles, les observations ont généralement des portées spatiale et temporelle limitées. L'objectif principal de cette thèse est de pallier ces insuffisances en réalisant une analyse des échanges eau-atmosphère d'un réservoir hydroélectrique profond à plusieurs échelles spatiales (locale ~ ha; régionale ~ km²) et temporelles (journalière, mensuelle et annuelle), puis en quantifiant les bilans de masse et d'énergie en incluant les échanges advectifs liés au turbinage du réservoir. Notre démarche expérimentale s'appuie sur une campagne de mesures réalisée sur le réservoir Romaine-2 (50.68°N, 63.25°O), exploité par Hydro-Québec depuis 2015, situé à 243 m d'altitude au Québec, Canada. Le réservoir présente des profondeurs moyenne de 44 m et maximale de 101 m, une superficie maximale de 85.6 km² avec un marnage annuel maximal de 17 m. Deux tours à flux mesurant le bilan d'énergie thermique ont été déployées de juin 2018 à juin 2022, l'une sur la berge et la seconde sur un quai flottant ancré au fond du réservoir et déployé en période d'eau libre chaque année. L'objectif principal de la thèse est décliné en trois objectifs spécifiques. Le premier objectif consiste à évaluer l'applicabilité sur un plan d'eau d'une méthode récente de mesure des flux turbulents à l'échelle régionale (~ km²), soit la scintillométrie à deux longueurs d'onde. Les résultats sont comparés avec ceux de la méthode de référence à l'échelle locale (~ ha), la covariance des tourbillons, réalisée à partir d'un quai flottant. La méthode de scintillométrie repose sur deux couples d'émetteurs/récepteurs installés de part et d'autre du réservoir Romaine-2 et émettant deux faisceaux situés pour l'un dans l'infrarouge et pour l'autre dans le domaine des micro-ondes, sur une distance de 1745 m et à une hauteur approximative de 10 m au-dessus de la surface du plan d'eau. Les résultats révèlent une concordance acceptable des flux de chaleur sensible, mais moins probante quant aux flux de chaleur latente qui sont surestimés par rapport à la méthode locale de covariance des tourbillons. L'empreinte de mesure plus large des scintillomètres peut expliquer ces différences en captant une plus grande hétérogénéité dans les flux. Enfin, la différence de température eau-air se révèle être un bon indicateur du régime de stabilité et par conséquent de la direction (i.e., signe) du flux de chaleur sensible, initialement mal attribué par la scintillométrie. Pour le deuxième objectif, les variabilités journalière, mensuelle et interannuelle de l'évaporation mesurée à l'échelle locale au-dessus du réservoir Romaine-2 sont quantifiées et analysées. Les résultats montrent un déphasage de 12 heures entre les flux de chaleurs sensible et latente pendant la période d'eau libre. Le flux de chaleur sensible répond avant tout à la différence de température eau-air qui est maximale la nuit et minimale l'après-midi, tandis que le flux de chaleur latente est corrélé à l'énergie apportée par le rayonnement solaire qui est maximale l'après-midi et minimale la nuit. Annuellement, l'évaporation atteint 590 mm en moyenne (minimum de 555 mm, et maximum de 656 mm), ce qui représente environ 51 % de la précipitation annuelle. 84% de l'eau est évaporée entre août et décembre, période pendant laquelle le réservoir largue intensément sa chaleur stockée dans une atmosphère plus froide. L'évaporation annuelle cumulée a dû être corrigée à la hausse par application de la fraction d'énergie perdue sur une année énergétique (aucun stockage net). Pour le troisième objectif, l'évolution temporelle du régime thermique du réservoir est caractérisée par des mesures de profil thermique de la colonne d'eau, à l'aide de deux chaînes de thermistors, et ce entre juin 2018 et juin 2022. Les données de turbinage offrent la possibilité de quantifier le bilan hydrique du réservoir ainsi que le bilan d'énergie complet associé. Les résultats montrent que les couches supérieures affichent des décalages d'amplitudes thermique et temporel avec les couches plus profondes. La variabilité interannuelle de la thermocline reste faible, mais sa profondeur et son gradient thermique varient en fonction du niveau d'eau et du turbinage. Le bilan hydrique est dominé en entrée et en sortie par les débits turbinés (61.4% du réservoir amont et 88.0% via la centrale en aval), tandis que le bilan d'énergie est principalement gouverné en entrée par le rayonnement net (62.3%) et en sortie dans les mêmes proportions par les flux de chaleurs sensible et latente (41.2%) et le débit sortant du réservoir (37.4%). Cette thèse offre donc une analyse méthodique et structurée de résultats obtenus sur une longue période de campagne en milieu éloigné, sur la base de méthodes de mesure peu usitées jusqu'alors dans une région climatique parfois hostile d'un réservoir hydroélectrique en milieu boréal côtier, la basse Côte Nord du Québec. / Reservoirs are water retention structures that support a wide range of human activities such as power generation, drinking water, irrigation, navigation, etc. The eastern part of the Canadian boreal region has a significant amount of hydroelectric reservoirs. The current context of climate change strongly affects these ecosystems and thus modifies regional hydrology and climatology through the exchange of water, energy and greenhouse gases (carbon dioxide, methane, water vapour) with the atmosphere. Among these exchanges, evaporation, an essential component of climate and hydrological models, remains difficult to estimate to this day. The water balance of a reservoir represents the balance between incoming and outgoing mass flows, and allows to anticipate the evolution of the volumes of water available to support the different anthropic uses. It is composed of lateral and upstream inflows and outlet flows (i.e. spillway and turbine), precipitation and evaporation, which together can vary the volume of water stored. Through evaporation, the energy balance of a reservoir is coupled to the water balance, which motivates its study. The energy balance of a reservoir compares advective, turbulent (sensible and latent) and net radiation heat fluxes. Although many studies have analysed and quantified the energy balance of water bodies, there are still gaps. Indeed, few of them have been carried out on hydroelectric reservoirs, especially in boreal zones. Moreover, when available, the observations generally have limited spatial and temporal scope. The main objective of this thesis is to overcome these shortcomings by analyzing the water-atmosphere exchanges of a deep hydroelectric reservoir at several spatial (local ~ ha; regional ~ km²) and temporal (daily, monthly and annual) scales, and then quantifying the mass and energy balances by including the advective exchanges related to the reservoir turbining. Our experimental approach is based on a measurement campaign carried out on the Romaine-2 reservoir (50.68°N, 63.25°W), operated by Hydro-Québec since 2015, located at 243 m altitude in Quebec, Canada. The reservoir has an average depth of 44 m and a maximum depth of 101 m, a maximum surface area of 85.6 km² with a maximum tidal range of 17 m. Two flux towers measuring the thermal energy balance were deployed from June 2018 to June 2022, one on the shore and the second on a floating raft anchored to the bottom of the reservoir and deployed during the open water period each year. The main objective of the thesis is broken down divided into three specific objectives. The first objective is to evaluate the applicability on a water body of a recent method for measuring turbulent flows on a regional scale (~ km²), i.e. two-wavelength scintillometry. The scintillometry method is based on two transmitter/receiver installed on either side of the Romaine-2 reservoir and emitting two beams, one in the infrared and the other in the microwave bands, over a distance of 1745 m and at a height of approximately 10 m above the water surface. The results show acceptable agreement for sensible heat fluxes, but less agreement for latent heat fluxes which are overestimated compared to the local eddy covariance method. The larger footprint of the scintillometers may explain these differences by capturing greater heterogeneity in the fluxes. Finally, the water-air temperature difference turns out to be a good indicator of the stability regime and therefore of the direction (i.e., sign) of the sensible heat flux, initially poorly assigned by scintillometry. For the second objective, the daily, monthly and interannual variabilities of evaporation measured at the local scale above the Romaine-2 reservoir are quantified and analysed. Results show a 12-hour phase shift between sensible and latent heat fluxes during the open water period. The sensible heat flux responds primarily to the water–air temperature difference which is maximum at night and minimum in the afternoon, while the latent heat flux is related to the energy provided by solar radiation which is maximum in the afternoon and minimum at night. Annually, evaporation averages 590 mm (minimum and maximum 555 mm and 656 mm respectively), which represents about 51% of the annual precipitation. 84% of the water is evaporated between August and December, when the reservoir intensively releases its stored heat into a colder atmosphere. The annual cumulative evaporation is then corrected upwards by considering the ratio of the energy budget over an energy year (no net storage). As a third objective, the temporal trends of the reservoir thermal regime is characterized by thermal profile measurements of the water column using two thermistors chains, between June 2018 and June 2022. The turbining data provides the opportunity to quantify the water budget of the reservoir and the associated full energy budget. Results show that there are temporal thermal amplitude lags between the surface and the deeper layers. The interannual variability of the thermocline remains small, but the depth and thermal gradient vary with water level and turbining. The water budget is dominated at the inlet and outlet by the turbined flows (61.4% from the upstream reservoir and 88.0% via the downstream power station), while the energy budget is mainly governed at the inlet by net radiation (62.3%) and at the outlet by both the sensible and latent heat fluxes (41.2%) and reservoir flow (37.4%). Ultimately, this thesis provides a methodical and structured analysis of results obtained over a long period of fieldwork in a remote environment. It is based on measurement technics that have not been widely used up to now in a hostile climatic region of a coastal boreal hydroelectric reservoir, the lower Côte Nord of Québec.

Le mémoire suivant présente l'étude spatiale et temporelle de la déformation d'un couvert de glace d'un réservoir de barrage réalisée durant l'hiver 2008-09 au barrage Beaumont, situé près de la ville de La Tuque au Québec, Canada. Quarante-quatre pôles furent implantés dans le couvert auxquels étaient fixés deux prismes réfléchissants. Le mouvement de ces prismes fut suivi en continu pendant tout l'hiver avec une station totale robotisée qui réalisait un tour d'horizon chaque heure. La précision des mesures de distance perpendiculaires était de l'ordre du millimètre après avoir corrigé les données brutes en fonction des conditions météorologiques et ajusté par rapport aux deux prismes de référence fixés sur les berges. Le mode opératoire du traitement des mesures a été déterminé grâce aux séries de tests réalisés sur le site de l'Université Laval en extérieur et en laboratoire. En extrapolant les coordonnées des prismes, les coordonnées à la base des pôles, c'est-à-dire à la surface de la glace, furent calculées. Hormis les points situés sur la glace collée au mur du barrage ou sur les berges du réservoir, l'analyse du mouvement vertical démontre que le couvert de glace suit la fluctuation du niveau d'eau (exepté à longterme où le couvert de glace s'abbaisse dû au poids de la neige). L'étude des mouvements horizontaux du couvert de glace a permis de mettre en avant un mouvement global vers le centre du réservoir dû aux fluctuations d'eau et à l'expansion thermique de la glace. Des déplacements maximums perpendiculaires au barrage de 18 cm ont été observés près du barrage ainsi que des mouvements perpendiculaires aux rives d'un maximum de 8 cm près de celles-ci. Les déformations calculées étaient hautement corrélées avec les fluctuations du niveau de l'eau ce qui implique que celui-ci provoque les déformations horizontales du couvert. Les vitesses de déformation (filtrées à l'aide d'une moyenne mobile sur 16 heures pour enlever le bruit) furent converties en contraintes à l'aide de l'équation Glen de fluage dont les constantes de proportionnalité dépendent de la température interne de la glace. Une analyse de l'ensemble des poteaux a permis d'estimer les contraintes perpendiculaires en II fonction de la distance par rapport au barrage. Des contraintes maximales de 470 kPa ont été calculées à 5 m du barrage, 260 kPa à 15 m, 170 kPa à 25 m et de 140 kPa à 100 m, démontrant un phénomène d'atténuation des contraintes avec la distance. Au niveau des contraintes parallèles au barrage, celles-ci étaient trop faibles dans les zones observées pour en arriver à un résultat définitif, mais les valeurs semblaient indiquer que les contraintes ne dépassaient pas 60 kPa. Cette campagne de mesures a été réalisée par l'Université Laval en partenariat avec l'Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ), State University of New York (Cobleskill), le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada et avec la contribution de BMT Fleet Technology. L'étude des déformations spatiales et temporelles a permis d'avoir une vue globale sur le mouvement de la glace de l'ensemble du réservoir ; de mieux comprendre les données ponctuelles relevées par d'autres instruments de mesure de contraintes incorporés dans le couvert et installés sur le barrage ; de fournir de l'information sur les phénomènes d'atténuation et d'aider à la compréhension du phénomène de poussée de glace.