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Température de l'eau du fleuve Saint-Laurent :extrêmes hydroclimatiques, modélisation 2D et application à l'habitat du poisson.

Ouellet, Valérie (2011). Température de l'eau du fleuve Saint-Laurent :extrêmes hydroclimatiques, modélisation 2D et application à l'habitat du poisson. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 216 p.

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Résumé

La présente thèse s'inscrit dans la foulée des travaux de modélisation sur le fleuve Saint- Laurent, initiés à l'INRS Eau Terre Environnement par Michel Leclerc et Yves Secretan, en partenariat avec Environnement Canada, ainsi qu'avec le Ministère des Ressources naturelles et de la Faune. En 2001, le fleuve Saint-Laurent a connu l'une des plus grandes mortalités massives de son histoire lorsque plus de 25 000 carcasses de carpe ont été retrouvées sur des centaines de kilomètres entre les régions de Montréal et Québec. Après avoir examiné plusieurs causes potentielles, les températures très élevées de l'eau furent rapidement identifiées comme un important élément déclencheur de la mortalité. Les analyses fréquentielles réalisées dans cette thèse révélèrent qu'en 2001, les températures de l'air étaient effectivement anormalement élevées, avec une période de retour d'environ 20 ans, les températures de l'eau étaient aussi très élevées avec une récurrence d'environ 50 ans et les niveaux d'eau du fleuve étaient très bas, avec une période de retour de 70 ans. Le Saint-Laurent a donc effectivement connu des extrêmes hydroclimatiques en 2001. Dans le cadre d'un projet connexe, des analyses de stress génique et de performance du système immunitaire furent réalisées en laboratoire afin de déterminer comment la température de l'eau pouvait causer la mort de carpes, pourtant réputées pour tolérer des conditions extrêmes (température de l'eau élevée, faible concentration en oxygène, turbidité, etc.). Les résultats montrèrent que la capacité de phagocytose diminuait de plus de 70% lorsque les individus étaient soumis à une hausse constante de température de l'eau avec un taux de 1.0°C/jour jusqu'à l'atteinte de 34,80°C. La température semble donc avoir joué un rôle dans la mortalité massive d'une part, en atteignant la limite létale de la carpe et d'autre part, en diminuant les capacités du système immunitaire à se défendre contre les différents pathogènes présents dans le milieu. Ces résultats, conjugués aux préoccupations croissantes de l'effet des changements climatiques sur le régime thermique des cours d'eau furent le déclencheur du présent projet. Ses principaux objectifs visent le développement d'un modèle 20 de température de l'eau pour le fleuve Saint-Laurent, ainsi que le développement d'un modèle d'habitat de reproduction de la carpe, qui inclut la thermie comme variable et utilise une approche de logique floue pour le calcul des indices de qualité de l'habitat. Le grand nombre de travaux qui existent pour représenter les différents flux de chaleur d'un bilan thermique rend difficile le choix d'une équation en particulier. Il fut donc décidé d'effectuer une première expérience de calcul de bilan thermique en milieu contrôlé afin de mesurer tous les flux de chaleur et de comparer les observations aux données simulées par les différentes équations. Ceci n'aurait pu être réalisé directement sur le fleuve, notamment à cause de l'influence majeure de l'hydrodynamique. Cette expérience présentait aussi l'avantage de permettre l'identification et l'évaluation quantitative des sources d'erreurs possibles pour le calcul du bilan thermique. Il fut ainsi possible de sélectionner les équations les plus performantes (en terme de racine de l'erreur quadratique par rapport aux observations) et donc de s'assurer de leur capacité à représenter le mieux la réalité. Par le fait même, l'influence de chacun des flux de chaleur a pu être évaluée et l'expérience a permis de constater que le bilan thermique est contrôlé à plus de 70% par les flux radiatifs entrants et sortants. Le modèle qui en résulte simule la température de l'eau au pas de temps horaire sur une période de deux mois avec une racine de l'erreur quadratique moyenne (RMSE) de 0,71°C. Les connaissances acquises grâce à l'expérience réalisée en milieu contrôlé permirent de développer un modèle déterministe de température de l'eau pour le fleuve Saint-Laurent. Une attention particulière fut portée sur la définition de la fonction du vent contenue dans le flux évaporatif afin de prendre en compte l'effet de la turbulence sur le taux d'évaporation. Le modèle de température de l'eau fut couplé à un modèle hydrodynamique et il permet de modéliser les variations spatio-temporelles (2D) de température de l'eau. Le modèle simule les températures de l'eau au pas de temps horaire et journalier. Cependant, les résultats au pas de temps journalier sont présentés dans la présente thèse puisque l'utilisation du modèle au pas de temps horaire nécessitera l'acquisition de certaines données pour raffiner le modèle de température de l'eau et en améliorer la performance en zones peu profondes (< 0,50 m). Le modèle permet de simuler les températures de l'eau avec un RMSE moyen de 0,41°C en zones moyennement profondes (0,50 à 1,50 m) à profondes (> 1,50 m) et autour de 1,O°C au global. Les images créées à partir des simulations ont été comparées à des images satellitaires, pour valider les valeurs de température de l'eau ainsi que la répartition spatiale et temporelle du régime thermique. Afin d'étudier en détail les conditions de l'été 2001, un modèle d'habitat de reproduction de la carpe fut développé. En plus de caractériser cet habitat à l'aide des variables usuelles que sont la profondeur, la vitesse et la végétation, ce dernier tient compte de la thermie afin d'évaluer comment elle peut limiter ou non, la répartition des habitats disponibles. Cela a aussi permis d'identifier des refuges thermiques potentiels lorsque la température de l'eau est relativement élevée et d'en étudier l'accessibilité et la répartition au cours de l'évènement de 2001. Dans ce modèle, le calcul des indices de qualité de l'habitat (IQH) fut développé en utilisant une approche de logique floue afin de mieux représenter la variabilité naturelle qui existe dans la définition des différents critères et d'inclure des données qui proviennent de différentes sources. Le principal avantage de la logique floue se trouve dans le fait que le passage d'une classe à une autre se fait de manière graduelle, plutôt que selon une approche dichotomique telle que celle utilisée dans la théorie des ensembles classiques. Les variables d'habitat sont représentées par des ensembles flous qui sont combinés selon certaines règles pour obtenir un IQH composite. La dernière étape consiste à défuzzifier l'IQH flou pour en faire un nombre réel. La comparaison de deux méthodes de défuzzification a mis en lumière le fait que les valeurs d'indice de qualité d'habitat obtenues avec la méthode du centre de gravité présentent moins de variabilité et sont surtout confinées entre 0,25 et 0,40. Ceci s'explique par le fait que comme la majorité des fonctions d'appartenance dans cette étude sont trapézoïdales, le centre de gravité d'un trapèze donne la même valeur en abscisse, peu importe sa hauteur, qui est elle définie par la valeur d'appartenance. Avec la méthode développée dans la thèse, il est possible d'obtenir des valeurs entre 0,15 et 1,0, ce qui donne une meilleure évaluation de la répartition des habitats de qualités par rapport à ceux de moindre valeur. Les résultats ont permis de constater une diminution des valeurs d'IQH avec l'augmentation des températures, et ce, de plus de moitié dans les baies généralement prisées par la carpe. Avec la diminution des niveaux d'eau à un niveau estival (mai à août) moyen de 3,60 m, comparé à un niveau moyen de 4,36 m (Moyenne calculée à partir d'une série de niveaux d'eau de 72 ans pour la même période, c.-à-d. de mai à août.), et l'augmentation de la température de l'eau (34,0°C), il est possible de voir apparaître des habitats de piètre qualité (IQH < 0,20) en s'éloignant des rives du lac. L'augmentation de la température de l'eau a eu pour principal effet de diminuer les habitats de qualité de près de la moitié et de diminuer l'accessibilité à des zones propices pour l'acclimatation ou la récupération puisque la majorité des habitats qui présentent des températures de l'eau adéquate sont situés à des profondeurs (plus de 2,0 m) et des vitesses (> 0,30 m/s) normalement non prisées par la carpe, autrement que pour certains déplacements (Cooper, 1987).

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: St-Hilaire, André
Co-directeurs de mémoire/thèse: Secretan, Yves; Mingelbier, Marc; Morin, Jean
Mots-clés libres: température; eau; hydroclimatiques; modélisation 2D; habitat; poisson; spatio-temporel; reproduction; carpe; fleuve saint-laurent
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 13 févr. 2014 14:02
Dernière modification: 17 mars 2016 17:58
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1879

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