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Modélisation de la température de l'eau et des solides dissous en rivière sur un petit bassin versant forestier.

St-Hilaire, André (2000). Modélisation de la température de l'eau et des solides dissous en rivière sur un petit bassin versant forestier. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 193 p.

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Résumé

Le développement et l'application de modèles hydrologiques et de qualité de l'eau permettent de simuler différentes conditions abiotiques et d'en évaluer l'impact sur la qualité de l'habitat aquatique. La modélisation hydrologique et de la qualité de l'eau peut donc être un outil de recherche et de gestion important dans le cadre de projets comme celui du ruisseau Catamaran, qui vise à quantifier l'impact des pratiques actuelles de coupe forestière sur l'habitat aquatique. Le premier objectif de cette thèse consiste à vérifier l'applicabilité du modèle hydrologique CEQUEAU sur un petit bassin forestier expérimental, le ruisseau Catamaran. Situé au centre du Nouveau-Brunswick, ce cours d'eau est le site d'un projet à long terme (15 ans). Durant la première phase du projet (1990-1995), un moratoire sur la coupe a été appliqué afin de permettre l'évaluation de la variabilité naturelle des paramètres physiques, chimiques et biologiques du cours d'eau. Le modèle a été appliqué sur les données récoltées durant cette première phase. Le second objectif est d'arriver à obtenir une simulation plus réaliste du régime thermique d'un petit bassin versant forestier en incorporant la température du sol et le couvert forestier comme variable affectant l'enthalpie de l'écoulement local hypodermique et du ruissellement. Finalement, le troisième but consite à appliquer le modèle de simulation des solides dissous de CEQUEAU durant la première phase du projet et de tester 3 algorithmes pour simuler la variabilité temporelle des concentrations en solides dissous de la nappe. Généralement, le modèle hydrologique a bien simulé les débits journaliers du ruisseau Catamaran entre 1990 et 1995. La performance du modèle hydrologique a été évaluée à l'aide de critères numériques. Les lames observées et calculées pour l'ensemble des 6 années simulées diffèrent de seulement 38,6 mm (4340,8 mm et 4379,4 mm respectivement). Le débit moyen observé pour toute la période est 0,62 m³/s et le débit moyen calculé est 0,63 m³/s. Les coefficients de Nash calculés pour chaque année ont varié entre 0,44 et 0,73 (0,61 pour l'ensemble de la période). Le modèle de température a permis de simuler adéquatement le régime thermique du ruisseau Catamaran Le modèle original a été modifié afin d'inclure la fermeture de futaie et la température du sol comme variables affectant les enthalpies de l'écoulement hypodermique et du ruissellement. Les modifications apportées au modèle ont permis d'abaisser l'erreur quadratique moyenne de 2,10°C à 1,77 °C. Le coefficient de Nash pour la période simulée a passé de 0,78 à 0,82. Une analyse de sensibilité a été effectuée afin de vérifier si les modifications apportées au modèle permettent de mieux détecter les impacts potentiels d'une coupe sur le régime thermique. Le couvert forestier a été diminué afin de représenter 3 scénarios de coupe. La coupe qui sera effectuée durant la seconde phase du projet (1996-2001) a été simulée en diminuant la fermeture de futaie proportionnellement à la superficie coupée sur chaque carreau entier. Des coupes fictives de 50%, et 100% ont aussi été simulées. Le modèle modifié a simulé une augmentation maximum de la température moyenne entre mai et octobre de 0,26 °C, 0,39°C, et 0,76 °C pour les coupes réelles, de 50% et de 100% du bassin. La température moyenne du moi de mai, période de débit relativement élevé, augmente de 1 °C lorsqu'on applique le modèle avec une coupe de 100% de la superficie du bassin versant, tout en conservant une lisière de végétation le long des rives. Le modèle de température modifié a aussi été testé lors d'événements météorologiques et hydrologiques plus importants. Si on simule une coupe totale du bassin versant, la température journalière de l'eau simulée augmente de plus de 3 °C durant la tempête tropicale Bob de 1991. Durant cet événement, 77 mm de pluie sont tombés en 14 heures. L'analyse des résultats des différents scénarios de coupe a démontré que le modèle est sensible à la modification du couvert forestier. Le calcul de l'Indice de Sensibilité Relative a permis de démontrer qu'une augmentation du simple au double des variables d'entrée quantifiant le couvert forestier (fermeture de futaie et indice de surface de la futaie) amène une diminution maximale de 28 % de l'apport énergétique du ruissellement hypodermique. Le modèle original de solides dissous, un modèle à bilan massique, a été appliqué à deux stations du ruisseau Catamaran. Bien que le modèle soit capable de reproduire l'allure générale des séries chronologiques de solides dissous reconstituées à partir de mesures de conductivité, on note d'importantes différences entre les mesures journalières et certaines valeurs calculées. La valeur de concentration de solides dissous de l'écoulement souterrain est considérée comme constante pour un carreau entier donné dans le modèle original. Ceci a pour effet de produire de longs plateaux de valeurs simulées constantes durant les périodes de faibles débits, périodes durant lesquelles l'eau souterraine est la principale contribution à l'écoulement en rivière. Durant cette même période, les concentrations mesurées montrent plus de variabilité et, généralement, une augmentation plus progressive des concentrations. Afin de tenter d'améliorer les simulations, 3 algorithmes ont été testés pour permettre une variation de la concentration en solides dissous de l'eau de la nappe: un modèle linéaire, une fonction logarithmique et un algorithme basé sur une fonction logistique ou sigmoïde. La performance des trois algorithmes est variable selon les années et les stations. Le modèle linéaire est le seul algorithme qui a réussi à améliorer légèrement les simulations aux 2 stations. Des données supplémentaires au ruisseau Catamaran, de même que sur d'autres bassins versants seront nécessaires avant de pouvoir en arriver à une conclusion définitive. Le modèle linéaire, ainsi que les 2 autres algorithmes ont quand même nettement amélioré les simulations à l'une des 2 stations du ruisseau Catamaran.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Morin, Guy
Co-directeurs de mémoire/thèse: El-Jabi, Nassir
Mots-clés libres: modèle hydrologique CEQUEAU; régime thermique; couvert végétal; température; sol
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 oct. 2012 20:09
Dernière modification: 17 mars 2016 17:34
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/331

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