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Hydrologie comparative des tourbières et des lacs de la Baie de James dans un contexte d'aqualyse.

Tardif, Simon (2010). Hydrologie comparative des tourbières et des lacs de la Baie de James dans un contexte d'aqualyse. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 134 p.

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Résumé

Bien que les tourbières couvrent environ 12% du territoire québécois, leur fonctionnement hydrologique est à ce jour à tel point méconnu qu'elles sont pratiquement toujours absentes des modèles hydrologiques déterministes de type pluie-débit. L'impact de la dynamique hydrologique des tourbières boréales de la région de la Baie de James est important tant au niveau des apports aux ouvrages hydroélectriques qu'au niveau des échanges de gaz à effet de serre à leur surface. En vue d'intégrer les processus hydrologiques spécifiques des tourbières dans les modèles, une meilleure compréhension de leur fonctionnement actuel s'avère nécessaire. Améliorer l'état des connaissances sur le fonctionnement hydrologique des tourbières au moyen d'un suivi hydrométéorologique et d'analyses comparatives et discuter des modifications vraisemblables du régime hydrologique des tourbières associées aux changements climatiques constitue l'objectif général de cette thèse. Les objectifs spécifiques sont: (1) comparer la forme d'hydrogrammes produits par des évènements de pluie ainsi que la relation entre la position de la nappe et le débit à l'exutoire; (2) comparer le bilan hydrologique aux pas de temps saisonnier et évènementiel de sites représentant un large spectre de conditions d'humidité de surface; et (3), à partir d'évènements de pluie de diverses intensités, comparer et essayer de prévoir les temps de réponses et leurs amplitudes. Sept petits bassins versants (deux tourbières ombrotrophes (TO), trois tourbières minérotrophes (TM) et deux lacs) tous situés dans le bassin de la rivière La Grande et tous de superficie inférieure à 1 km2 ont été instrumentés pour le suivi des précipitations, de'1'écoulement de surface, de l' évapotranspiration et des variations de stockage. La prise de données a été effectuée en continue entre juillet 2005 et octobre 2007. Les données obtenues ont permis: (1) d'analyser la forme des hydrogrammes de même que la fréquence et la durée des événements d'écoulement sur les TM et les lacs, (2) de produire et de comparer les bilans hydrologiques saisonniers et événementiels des sept sites, d'évaluer les méthodes de mesures utilisées et de développer une méthode d'estimation de l'évapotranspiration permettant une différenciation des compartiments végétaux et d'eau libre et finalement, (3) de comparer et de prédire les temps de réponses des sites suite à des événements de pluies modérées et fortes. Les résultats obtenus ont permis d'atteindre les objectifs fixés. Les principales conclusions de la thèse en fonction des analyses effectuées sont les suivantes. Les statistiques de forme des hydrogrammes sont généralement plus uniformes sur les lacs que sur les TM. Les hydrogrammes des lacs ont toujours des formes semblables, ce qui n'est pas le cas pour les TM qui ressemblent parfois à ceux des lacs. Les débits à l'exutoire des lacs ont des variations plus fréquentes mais de plus courte durée et de plus faible amplitude que ceux des TM. La relation entre le niveau d'eau sur le site et le débit à l'exutoire est presque linéaire sur les lacs mais beaucoup plus diffuse sur les TM, suggérant une réponse décalée sur ces dernières. L'adaptation d'une méthode d'estimation d'évapotranspiration potentielle basée sur la différenciation de la végétation et de l'eau libre a permis d'obtenir des résultats cohérents à ceux obtenus par diverses méthodes de mesure d'évapotranspiration réelle en milieu nordique. Les données de débit obtenues par courbes de tarage et converties en écoulement montrent une surestimation des valeurs élevées. Le terme de bilan pour lequel chaque écosystème a un comportement particulier est le stockage pour les TO, l'écoulement pour les TM et l'évapotranspiration pour les lacs. Les précipitations ont montré une forte variabilité spatio-temporelle, les trois années d'études ayant eu des quantités totales très variables et le secteur Est du bassin recevant toujours plus de pluie que le secteur Ouest. À .l'échelle saisonnière, la variabilité temporelle de l'écoulement dépend des conditions de précipitations tandis qu'elle dépend du type d'écosystème (TM ou lacs) à plus court terme. Les données d' évapotranspiration sont plus uniformes temporellement, les lacs évaporant plus que les TM et que les TO. Malgré d'importantes fluctuations du niveau de la nappe sur les TO dues à l'absence de ruissellement de surface, celle-ci demeure pratiquement toujours près de la surface à cause de la compaction-expansion de la tourbe Le temps de réponse de la montée de la nappe suivant des pluies modérées et fortes .est proportionnel à la fraction superficielle d'eau libre tandis que le temps de réponse de la montée de l'écoulement est inversement proportionnel à cette même fraction, ceci suggère une importante inertie hydrologique des TM par rapport aux lacs. L'amplitude de la montée de la nappe est aussi proportionnelle à la fraction superficielle d'eau libre. Le niveau d'eau et sa phase de recharge/décharge, la quantité immédiate de pluie et le total des jours précédents sont les principales variables expliquant la variance des temps de réponses des montées de la nappe et de l'écoulement. Les analyses des bilans évènementiels, de la relation niveau-débit et des modèles de régression du temps de réponse montrent toutes l'importance de l'état de saturation des systèmes (conditions sèches ou humides) par rapport aux diverses réponses hydrologiques. Cet état de saturation est relié à la fraction superficielle d'eau libre, qui elle-même est un indicateur de l'état d'aqualyse des tourbières. En supposant que le climat futur cause effectivement une dégradation de la structure végétale des tourbières, on peut donc s'attendre à voir le comportement hydrologique des TM être graduellement modifié vers un comportement typique aux lacs à mesure que l'aqualyse se poursuivra. Les résultats présentés dans cette thèse laissent entrevoir des pistes d'intégration pour la modélisation. L'inertie hydrologique des TM pourrait être modélisée en travaillant sur les paramètres de transfert horizontal, en introduisant une résistance au ruissellement de surface en fonction de l'importance de la fragmentation de la structure végétale du bassin ou encore en modifiant la définition des réservoirs servant à la production des débits de base et du ruissellement de surface. Les TO pourraient être intégrées en augmentant leur capacité de réserve, ce qui permettrait un ruissellement de surface uniquement en conditions d'extrême humidité.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: St-Hilaire, André
Co-directeurs de mémoire/thèse: Roy, René; Bernier, Monique
Mots-clés libres: hydrologie; tourbière minérotrophe; lac; aqualyse; changement climatique; statistique; hydrogramme; pluie; sphaignes
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 11 févr. 2014 21:30
Dernière modification: 17 mars 2016 17:56
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1983

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