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Dynamique des écoulements et du stockage d'eau d'un petit bassin versant boréal influencé par une tourbière minérotrophe aqualysée des Hautes-terres de la baie de James, Québec, Canada.

Carrer, Gwenael (2014). Dynamique des écoulements et du stockage d'eau d'un petit bassin versant boréal influencé par une tourbière minérotrophe aqualysée des Hautes-terres de la baie de James, Québec, Canada. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 320 p.

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Résumé

Les tourbières constituent l'un des principaux types d'écosystèmes nordiques de la planète, ce qui leurs confère un rôle majeur en écologie, en sciences du climat et en hydrologie. Les tourbières sont notamment très présentes au niveau des bassins versants qui alimentent les réservoirs des centrales hydroélectriques du moyen nord du Québec et, par conséquent, peuvent influer leur dynamique hydrologique. La production hydroélectrique représentant un véritable poumon économique pour le Québec, il est donc nécessaire d'améliorer nos connaissances sur ces écosystèmes et d'adapter les modèles hydrologiques au domaine du Haut-Boréal. La mise en place de dispositifs expérimentaux permettant d'étudier la dynamique hydrologique des écosystèmes tourbeux représente un défi majeur. L'objectif général de cette thèse est d'évaluer les écoulements estivaux de petits bassins versants boréaux incluant des tourbières minérotrophes fortement aqualysées. La thèse comporte cinq objectifs spécifiques: (i) l'évaluation des échanges d'eau de surface avec l'eau souterraine, (ii) l'étude des propriétés physiques des sols, (iii) l'analyse et la comparaison des dynamiques de stockage entre typologies spécifiques (forêt, platières, lanières et mares), (iv) l'évaluation des processus de mélange conceptuel au sein des tourbières minérotrophes aqualysées, et (v) le développement d'un modèle hydrologique spécifique aux petits bassins versants nordiques. Deux petits bassins versants (< 15 ha) de la région de La Forge-1 (Baie-James, Québec) ont été instrumentés et suivis entre 2008 et 2012. Ces deux bassins versants sont dominés par des surfaces forestières en amont et contiennent une proportion non négligeable (> 25 %) de tourbières minérotrophes fortement aqualysées (> 30 %) en aval. Ces bassins versants ont fait l'objet d'une instrumentation (puits, piézomètres, station météorologique, canaux trapézoïdaux et capteurs de déplacement) et d'analyses géochimiques (δ²H, δ¹⁸O, DOC et conductivité électrique). Les profils phréatiques et piézométriques ont permis de définir un schéma de l'écoulement de l'eau au travers des surfaces aqualysées. Les zones de recharge et de vidange observées au niveau des lanières dépendent cependant largement de la topographie de surface et ne semblent pas interagir avec l'eau souterraine. Même s'il existe une forte hétérogénéité de propriétés physiques des sols, la forêt et la tourbière suivent une dynamique de stockage relativement similaire. Cependant, au sein de la tourbière, d'importantes variabilités existent lorsque l'on considère indépendamment les mares, les lanières et les platières. Le traçage isotopique et la modélisation hydrochimique conceptuelle ont permis de définir de façon plus détaillée les processus hydrologiques encourant dans les tourbières minérotrophes aqualysées. Celles-ci forment un véritable système à multiples réservoirs de mélange représentés par les mares. Ce processus hydrologique engendre un effet piston, favorisant un temps de résidence relativement court des eaux de surface en comparaison des eaux plus profondes (>50 cm de profondeur). Ces résultats ont finalement permis de simplifier les écoulements au travers des surfaces de forêt et de tourbière par des relations empiriques stockage versus débit, tout en permettant une bonne représentation de l'évolution du stockage. L'ensemble de ces recherches a ainsi permis d'améliorer nos connaissances sur les échanges avec l'eau souterraine, la dynamique de stockage des différentes typologies de végétation, les processus de mélange qui encourent au sein des tourbières et d'entrevoir de nouvelles perspectives de modélisation de ces bassins versants nordiques.

Abstract

Peatlands are one of the main types of ecosystems in the Northern Hemisphere and, thus, play a major role in the ecology, climate and hydrology of the Boreal region of Quebec. They are important land covers of the drainage basins of some of Quebec' s hydropower reservoirs and, as such, may have a substantial footprint on their hydrological dynamics. Since hydropower represents a large economic interest for Quebec, there is a need to further our understanding of these ecosystems and adapt accordingly the hydrological models used to predict inflows. However, the development of monitoring schemes for studying the hydrological dynamics of peatlands represents a major challenge. The overall objective of this thesis was to study the summer hydrological dynamics of small boreal watersheds characterized by patterned fens. The specific objectives were to: (i) assess surface water exchange with groundwater, (ii) study the physical properties of soil, (iii) analyse and compare storage dynamics between specific land covers (forests, lawns, pools and strings), (iv) assess mixing processes occurring in patterned fens, and (v) develop a phenomenological hydrological mode1 adapted to small northem watersheds. Two small watersheds, (< 15 ha) located near La Forge-l (James Bay, Quebec), were instrumented and monitored between 2008 and 2012. Both watersheds are forested in their upstream portion and have a significant patterned fen downstream (> 25 %). The studied watersheds were monitored using wells, piezometers, weather station, trapezoidal channels and displacement sensors. Stream and soil waters were sampled and. geochemical analyzes performed (δ²H, δ¹⁸O, DOC and electrical conductivity). Monitored water tables and piezometric profiles provided a mean to identify water flow through peat and pool surfaces. Areas of recharge and discharge in strings were largely dependent on surface topography and did not seem to interact with groundwater. Although there was considerable spatial heterogeneity in soil properties, forests and peatlands had relative1y similar storage dynamics. Nevertheless, significant variability was found when considering independently pools, strings and lawns. The isotopic tracing and hydrochemical modeling provided additional insights into the hydrological processes occurring in the patterned fens. Based on these findings, patterned fens may be conceptualized as a multiple reservoir system represented by the pools. Our analyses highlighted a 'piston flow effect' behaviour that is conducive to short residence times for surface waters compared to deeper waters (> 50 cm depth). Therefore, the phenomenological modeling of the flows passing through forests and peatland was achieved using empirical 'storage versus discharge' relationships. These re1ationships allowed for good representations of storage dynamics. In summary, the thesis has: (i) further our understanding of the interactions between surface water and groundwater, the storage dynamics of different types of vegetation, the mixing processes occurring in patterned fens; and (i) provided new perspectives for modeling northern watersheds characterized by subwatersheds with substantial patterned fens.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Rousseau, Alain N.
Co-directeurs de mémoire/thèse: Jutras, Sylvain; St-Hilaire, André
Mots-clés libres: tourbière minérotrophe; aqualyse; bilan hydrologique; stockage; modélisation; isotopie
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 11 avr. 2014 21:21
Dernière modification: 11 nov. 2015 20:59
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2105

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