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Caractérisations hydrologique, topographique et géomorphologique d'un bassin versant incluant une tourbière minérotrophe fortement aqualysée, Baie-de-James, Québec.

Proulx-McInnis, Sandra (2010). Caractérisations hydrologique, topographique et géomorphologique d'un bassin versant incluant une tourbière minérotrophe fortement aqualysée, Baie-de-James, Québec. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 185 p.

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Résumé

Les tourbières minérotrophes occupent près de 20% de la superficie jamésienne (moyen- Nord québécois), territoire où les grands aménagements hydrauliques fournissent près de 50% des besoins en électricité de la province. Bien que peu documentée dans la littérature, l'hydrologie de ces écosystèmes est complexe et mérite des études plus approfondies. Selon des observations récentes, plusieurs tourbières minérotrophes subiraient un phénomène d'aqualyse, consistant en un accroissement et une coalescence de leurs mares au détriment des lanières qui s'affaissent et se dégradent. Une meilleure compréhension de leur comportement hydrologique est nécessaire et ce, afin de modifier les modèles de prévision servant à prédire les apports en eau aux réservoirs hydroélectriques. Une amélioration des connaissances afférentes aux caractéristiques physiographiques de ces tourbières et une évaluation de leurs principaux mécanismes de gains et de pertes d'eau sont indispensables afin de modéliser de manière adéquate les écoulements de ces écosystèmes. Ce mémoire s'intéresse à un petit bassin versant de 12,5 ha, situé dans le nord- boréal québécois à proximité du barrage Laforge-1 d'Hydro-Québec, incluant une tourbière minérotrophe fortement aqualysée. Les principaux objectifs des travaux présentés dans ce document consistent à: (1) caractériser les variabilités topographique et morphologique du bassin versant et de le représenter en trois dimensions par la cartographie; (2) étant donné la rareté relative de mesures hydrologiques dans les tourbières, mesurer l'évapotranspiration réelle (ETR) sur un sol tourbeux à l'aide d'un lysimètre et (3) calculer les bilans hydrologiques du bassin versant pour la saison estivale 2009 à différents pas de temps. Des relevés topographiques à l'aide d'un GPS RTK (Global Positioning System - Real Time Kinematic), d'une tige métallique graduée ainsi que d'un Géoradar ont été réalisés sur le site entre mars et octobre 2009. Différents instruments ont également été installés, afin de récolter les données nécessaires au calcul des précipitations, du ruissellement de surface, de la variation du . niveau de nappe phréatique, de la variation de stockage en eau ainsi que des évapotranspirations réelle et potentielle. Une interpolation géostatistique de la surface du site par krigeage ordinaire ainsi que de l'épaisseur de tourbe obtenue par (1) les sondages avec la tige métallique graduée ainsi que par (2) les relevés Géoradar, ont permis de mettre en évidence la pente et la topographie du site à l'étude. Une analyse comparative a montré les avantages et limites de ces deux méthodes de mesure de la profondeur de tourbe. Le modèle numérique de terrain (MNT), réalisé avec le logiciel ArcGIS v.9.2 à partir de l'ensemble des données récoltées par les méthodes d'arpentage, montre une pente relativement élevée pour ce type d'écosystème (1,77%). Cette caractéristique jumelée à l'observation conceptuelle, permet de suggérer un mouvement d'eau amont-aval au travers les lanières. En effet, il s'établit, lors d'une importante précipitation, un écoulement sub- superficiel limité par la conductivité hydraulique à saturation du matériel composant les lanières. Ce dernier, causé par le gradient hydraulique entre les mares amont et aval, alimente partiellement la plus grande mare (près de l'exutoire). Un lysimètre, basé sur les mesures de niveau d'eau dans le milieu ambiant et dans un bloc de tourbe isolé, a été installé sur la tourbière du bassin-versant à l'étude. La sensibilité de certaines composantes du système à l'humidité nuisant à son bon fonctionnement, de nouveaux capteurs plus robustes ont été utilisés durant la seconde année. Après reconfiguration du système, le nouveau lysimètre fut installé durant deux semaines à l'été 2010 sur une tourbière ombrotrophe de 10,9 ha à Pont-Rouge (sud du Québec). Les résultats étant concluants, une réinstallation de l'appareil sur le site d'étude à la Baie-de-James serait envisageable dans l'avenir. Des bilans hydrologiques ont été calculés à des pas de temps saisonnier, mensuel et quotidien à partir des données de précipitation provenant de la station météorologique (P), de niveaux de nappe phréatique obtenus à partir des puits équipés d'une jauge à pression hydrostatique (ΔWL), de ruissellements de surface mesurés par les puits jumelés aux canaux trapézoïdaux situés à l'exutoire du site (Q) ainsi que d'évapotranspiration potentielle (ETP) calculée par différentes équations semi-empiriques (Penman-Monteith, Priestley-Taylor et Thornthwaite). Les résultats obtenus par la formule de Penman-Monteith différaient significativement des deux autres équations. Le bilan hydrologique a donc été recalculé avec cette formule. La matrice tourbeuse absorbant beaucoup d'eau, le puits jumelé à une jauge à pression hydrostatique n'expliquait qu'en partie la variation de stockage en eau dans la tourbe (Δs/ Δt). En effet, cette jauge ne mesure que l'eau gravitaire, faisant fi de la variation de l'eau dans la frange capillaire (zone de battement de la nappe) et dans la zone non-saturée. Les résultats montrent que les niveaux mesurés .dans les puits expliquent 32 et 36% de la variation de stockage en eau dans la colonne de tourbe (selon l'équation d'ETP choisie). La quantification du terme Δs/ Δt s'avère ainsi un élément limitant au calcul du bilan hydrologique dans ce type de milieu. Le stockage en eau ainsi que le niveau de nappe phréatique augmentent suite à une forte précipitation. Ce rehaussement de la nappe influence directement le taux d'évapotranspiration. Ce dernier est élevé en juillet (ETP=66%) par rapport au ruissellement de surface et plus faible vers la fin septembre (ETP=25%). Les résultats présentés dans ce mémoire apportent une contribution originale au domaine de l'hydrologie et contribuent à la compréhension des petits bassins versants dominés par des écosystèmes tourbeux minérotrophes du nord-boréal québécois.

Abstract

Minerotrophic fens occupy nearly 20% of Northern Boreal Quebec, an area where hydroelectric dams supply about 50% of the province's needs in electricity. Although this subject is poorly documented in the literature, it is also well known that the hydrology of these ecosystems is complex and warrants further studies. According to recent observations, several minerotrophic peatlands have undergone structural changes due to the aqualysis phenomenon, which consists of a growth and coalescence of their ponds to the detriment of vegetation strips that collapse and degrade. A better understanding of their hydrological behavior is required to adapt the forecasting hydrological models used to predict inflows to hydroelectric reservoirs. Thus, there is a need to characterize the physiographic features and the individual terms of the hydrological budget to improve the estimation of runoff from these ecosystems. This Master's thesis focuses on a small catchment area of 12.5 ha, located in Northeastern Boreal Quebec near the Laforge-1 Hydro-Quebec dam, which inc1udes a highly aqualysed minerotrophic fen. The main objectives are: (1) to characterize the topographic and morphological variability of the aforementioned small catchment and to represent the ecosystem with a 3D mapping; (2) to measure the actual evapotranspiration (AET) of a peat soil using a lysimeter (given the relative scarcity of hydrological measurements in peatlands); and (3) to calculate water budgets at different time steps for the summer of 2009. Topographic surveys using GPS RTK (Global Positioning System - Real rime Kinematic), a graduated meter stick and a Georadar (GPR or Ground Penetrating Radar) were made on the studied site between March and October 2009. AIso, various instruments were installed to collect the necessary data to calculate precipitation (P), surface runoff (Q), groundwater level variation (ΔWL), water storage changes (Δs/Δt), and actual and potential evapotranspirations (AET and PET). Geostatistical interpolation of the site surface by ordinary kriging and peat thicknesses obtained by (1) graduated meter stick surveys and (2) Georadar surveys, helped to highlight the slope and topography of the site. A comparative analysis showed the advantages and limitations of these two peat depth measuring methods. The Digital Elevation Model (DEM), made with ArcGIS v.9.2 from all data collected by the surveying methods, showed a relatively large slope for this type of ecosystem (1.77%). This feature combined with onsite observations, suggested a surface water movement through the strips, along this slope. Indeed, during significant rainfalls, subsurface flow occurs, which is limited by the saturated hydraulic conductivity of the porous material comprising the strips. This flow, caused by hydraulic gradient between upstream and downstream ponds, fed in part the larger pond near the outlet. A lysimeter, using differential water level measurements between the surrounding environment and an isolated peat block (instead of weighing part of the soil column) was installed on the studied peatland. The sensitivity to humidity of some system components affected the functioning. New robust sensors were then used. After reconfiguring the system, the new lysimeter recorded data during two weeks of summer 2010 on a 1O.9-ha bog of in Pont- Rouge (Southem Quebec). The results were conclusive. A reinstallation of the instrument on the study site in the James Bay region would be possible in the future. Water budgets were calculated at seasonal, monthly and daily time steps with precipitation data from a meteorological station (P), groundwater levels obtained by wells equipped with hydrostatic pressure gauges (ΔWL), surface runoff data measured by wells coupled with trapezoidal channels located at the outlet (Q) and potential evapotranspiration (PET). PET data were calculated using different semi-empirical equations (Penman-Monteith, Priestley- Taylor and Thomthwaite). The results obtained by the Penman-Monteith formula differed significantly from the other two equations. The water budget was calculated with this formula. The peat matrix absorbs much water. The wells matched to hydrostatic pressure gauges partly explained changes in water storage (Δs/ Δt) in the peat. Indeed, these gauges measured only gravitational water, ignoring the water variation in the capillary fringe and the unsaturated zone. The results showed that the measured levels in the wells explained 32 and 36% of the water storage variation in the peat column (depending on PET equation). The measurement of Δs/Δt is thus a limiting factor in the calculation of water budgets in this type of environment. The water storage and the groundwater level increased due to heavy rainfall. This increase directly influenced the evapotranspiration rate. The latter was high in July (PET = 66%) compared to surface runoff and lower in late September (PET = 25%). The results presented in this master thesis represent an original contribution to hydrology and contribute to the understanding of small catchments dominated by minerotrophic fen ecosystems in the Northern Boreal environment of Quebec.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: St-Hilaire, André
Co-directeurs de mémoire/thèse: Rousseau, Alain N.
Mots-clés libres: hydrologie; topographie; cartographie; géomorphologie; bassin versant; tourbière minérotrophe; Baie-de-James
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 05 déc. 2013 14:40
Dernière modification: 17 mars 2016 15:27
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1736

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