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Développement d’outils de caractérisation et de modélisation du régime thermique des rivières naturelles et régulées.

Maheu, Audrey (2015). Développement d’outils de caractérisation et de modélisation du régime thermique des rivières naturelles et régulées. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 226 p.

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Résumé

La température de l’eau est une variable importante à l’égard de la qualité de l’eau et de la santé des écosystèmes aquatiques. Une approche par régime a été proposée pour la gestion de la température de l’eau en rivière selon laquelle des conditions thermiques acceptables sont décrites dans le temps et l’espace plutôt que de s’intéresser seulement au dépassement de certains seuils critiques. L’application d’une telle approche repose toutefois sur l’accès à des outils permettant la caractérisation de la variabilité temporelle de la température de l’eau. De tels outils pourraient être mis à profit afin de mieux comprendre quand et comment les barrages modifient le régime thermique des rivières; une problématique qui, bien que peu étudiée dans l’est du Canada, est importante étant donné le grand nombre de barrages qu’on y retrouve. Outre les outils de caractérisation, il est également primordial d’avoir accès à des outils de modélisation fiables pour la gestion de la température de l’eau en rivière. Les outils de modélisation déterministe répondent à ce besoin bien que certains flux thermiques tels que l’évaporation demeurent difficiles à estimer étant donné les difficultés associées à leur mesure en rivière. Face à ces lacunes, l’objectif de cette thèse est de proposer des outils de caractérisation et de modélisation du régime thermique dans l’optique d’améliorer la gestion de la température de l’eau dans les rivières naturelles et régulées. Le premier objectif spécifique de cette thèse est de proposer un outil de caractérisation permettant la prise en compte de la saisonnalité lors de la classification du régime thermique des rivières. L’approche proposée repose sur l’analyse des périodicités à l’aide de séries de Fourier, lesquelles ont été utilisées pour extraire et décrire le cycle annuel de température de l’eau. La saisonnalité du régime thermique a ainsi été caractérisée à l’aide de trois métriques décrivant la magnitude, l’amplitude et la phase (i.e. occurrence) du cycle annuel. Étant donné la parcimonie de cette approche, celle-ci peut facilement servir de point de départ à une classification des régimes thermiques. Une preuve de concept a été effectuée à l’échelle des États-Unis (n = 135 sites) permettant ainsi la définition de six classes de régime thermique en fonction de la magnitude, amplitude et phase du cycle annuel de température de l’eau. Un arbre de classification a ensuite été développé (erreur de classification par validation croisée = 30 %) permettant de prédire l’appartenance à un régime thermique en fonction de quatre variables explicatives : le débit moyen en mai, la moyenne annuelle de la température de l’air, la température de l’air moyenne en juillet et l’écart annuel moyen de la température de l’air. Le deuxième objectif spécifique est de caractériser l’impact des barrages tout au long de l’année sur le régime thermique des rivières de taille moyenne dans l’est du Canada. Deux types de barrages ont été étudiés, soit un barrage au fil de l’eau avec une faible capacité de stockage et deux barrages de stockage avec des réservoirs peu profonds (profondeur moyenne < 6 m). À l’aide d’une approche contrôle-impact, l’impact des barrages a été examiné 1) pour la période d’eau libre en évaluant l’effet sur le cycle annuel (extrait par l’ajustement d’une fonction sinusoïdale) et les résidus et 2) pour la période hivernale en évaluant l’effet sur la courbe de températures classées. De manière générale, le barrage au fil de l’eau n’a pas eu d’impact sur le régime thermique de la rivière régulée. Les barrages de stockage ont entraîné un réchauffement de la température de l’eau à l’été et à l’automne : d’août à octobre, la température moyenne mensuelle était de 1,4 à 3,9 °C plus élevée en comparaison aux rivières naturelles. Pendant l’hiver, les barrages de stockage ont entraîné un réchauffement marqué des rivières régulées : alors que la température de l’eau est restée stable à 0 °C dans les rivières naturelles, la température de l’eau médiane pour cette période variait entre 1,0 et 2,1 °C dans les rivières régulées. Le troisième objectif spécifique est de caractériser l’impact des barrages sur le régime thermique estival des rivières à l’échelle régionale afin 1) d’identifier les attributs du régime thermique affectés de manière prédominante par la régulation et 2) de comparer l’impact thermique associé à différents types de barrage (fil de l’eau, stockage, avec lâcher d’eau selon la demande de pointe). Le régime thermique de 13 rivières régulées et 18 rivières naturelles de l’est du Canada a été caractérisé selon l’approche thermologique, soit à l’aide de 15 métriques décrivant la magnitude, la durée, la fréquence, l’occurrence et le taux de variation des conditions de température de l’eau. Une analyse en composantes principales a permis d’identifier les attributs du régime thermique principalement contrastés entre les rivières régulées et naturelles. Selon cette analyse, les barrages de stockage et avec lâcher d’eau selon la demande de pointe ont généralement 1) réduit le taux de variation de la température de l’eau à différentes échelles temporelles (intrajournalière, interjournalière et saisonnière) et 2) augmenté la magnitude du régime thermique à la fin de l’été (septembre). Les barrages au fil de l’eau n’ont généralement pas entraîné une modification significative du régime thermique des rivières, à l’exception du schéma de variation intrajournalière qui affichait un plus grand nombre de changements de direction au cours de la journée en comparaison aux rivières naturelles. La modification du régime thermique était significativement corrélée au ratio de retenue, soit le ratio entre la capacité de stockage maximale du barrage et le ruissellement médian annuel du bassin versant. Une modification importante du régime thermique était généralement observée pour les barrages ayant un ratio de retenue supérieur à 10 %. Le quatrième objectif spécifique est d’améliorer l’estimation du flux thermique associé à l’évaporation dans un modèle de température de l’eau. Pour ce faire, une méthode de mesure de l’évaporation en rivière reposant sur le principe de bilan de masse a été développée. L’évaporation a été mesurée à l’aide de minibacs flottants dans deux cours d’eau en milieu forestier : la rivière de taille moyenne Little Southwest Miramichi (LSWM; 1190 km²) et le ruisseau Catamaran (CatBk; 27 km²). À l’aide de mesures d’évaporation, des modèles de transfert de masse ont été calibrés permettant ainsi d’estimer le taux d’évaporation à partir des conditions microclimatiques (vitesse du vent, déficit de pression de vapeur). Pendant l’été 2012, le taux journalier moyen d’évaporation a été de 3,0 mm jr-1 à LSWM et de 1,0 mm jr-1 à CatBk. Les modèles de transfert de masse ont été utilisés pour estimer le flux thermique associé à l’évaporation dans un modèle de température de l’eau au pas de temps horaire. Aux deux sites étudiés, le flux thermique associé à l’évaporation a été identifié comme le plus important mécanisme de refroidissement pendant l’été : l’évaporation représentait 42 % des pertes de chaleur à LSWM et 34 % des pertes de chaleur à CatBk. Les travaux de cette thèse ont permis le développement et la comparaison d’outils de caractérisation du régime thermique des rivières : l’analyse des périodicités par ajustement d’une fonction sinusoïdale permet de décrire la saisonnalité de manière parcimonieuse alors que l’approche thermologique permet de circonscrire les attributs du régime thermique altérés. L’application de ces outils s’est avérée concluante pour le développement d’une classification ainsi que pour la réalisation d’études d’impact. Les travaux de cette thèse ont également permis de décrire l’influence marquée des barrages sur le régime thermique des rivières dans l’est du Canada. Face à ces impacts, les outils de modélisation jouent un rôle primordial dans la gestion du régime thermique des rivières régulées. Ainsi, les travaux de cette thèse ont permis de proposer une approche novatrice pour la mesure de l’évaporation en rivière et celle-ci pourrait être mise à profit pour améliorer l’estimation de ce flux thermique dans les rivières régulées.

Abstract

Water temperature is an important variable regarding water quality and aquatic ecosystem health. A regime-based approach has been proposed to manage river water temperature according to which the distribution of acceptable thermal conditions should be described across temporal and spatial scales rather than focusing on the exceedance of single-value thresholds. However, the implementation of a regime-based approach requires tools to characterize temporal variability in river water temperature. Indeed, these would be valuable tools to understand when and how dams modify the thermal regime of rivers; an issue not well studied in eastern Canada although of importance given the large number of dams in the region. In addition to characterization tools, it is also important to have access to reliable modelling tools to manage river water temperature. Deterministic modelling tools address this need although certain heat fluxes such as evaporation remain difficult to estimate given difficulties associated with their measurement in rivers. In order to address these gaps, the objective of this thesis was to develop tools to characterize and model the thermal regime of rivers which can be used to improve water temperature management in regulated and unregulated rivers. The first specific objective of this thesis was to develop a characterization tool which can efficiently describe seasonality when performing a classification of thermal regimes. Based on an analysis of periodicities using Fourier series, the annual cycle of water temperature was extracted and described using three metrics (magnitude, amplitude and phase). Given the parsimony of this approach, it provides an efficient basis to develop a classification of thermal regimes. A proof of concept was performed over the United States (n = 135 sites) and six thermal regime classes were defined according to the magnitude, amplitude and phase of the annual cycle of river water temperature. A classification tree was developed (cross-validation error = 30 %) and four variables were used to predict membership to a thermal regime class: the mean May flow, the annual average air temperature, the average July air temperature and the annual air temperature range. The second specific objective was to characterize the year-round impact of dams on the thermal regime of medium-sized rivers in eastern Canada. Two types of dams were studied: a run-of-river dam with minimal storage capacity and two storage dams with shallow reservoirs (mean depth < 6 m). Using a control-impact design, the impact of dams was examined 1) for the open water period by assessing impact on the annual cycle (extracted by fitting a sinusoidal function) and residuals and 2) for the winter period by assessing impact on water temperature duration curves. Overall, the run-of-river dam did not modify the thermal regime of the regulated river. Storage dams had a warming effect on water temperatures during the summer and autumn: from August to October, the monthly mean water temperature was 1.4 to 3.9 °C warmer than at unregulated rivers. During winter, storage dams had a considerable warming effect on regulated rivers: while water temperature remained stable at 0 °C in unregulated rivers, the median water temperature for this period varied between 1.0 and 2.1 °C in regulated rivers. The third specific objective was to perform a regional-scale assessment of the impacts of dams on the summer thermal regime of rivers to 1) identify thermal regime features predominantly influenced by regulation and 2) compare thermal impacts associated with different types of dams (run-of-river, storage, peaking). The thermal regime of 13 regulated rivers and 18 unregulated rivers in eastern Canada was characterized using the natural thermal regime concept. Accordingly, 15 metrics were computed to describe the magnitude, duration, frequency, timing and rate of change of water temperature events. A principal component analysis was used to identify contrasting thermal regime features between regulated and unregulated rivers. Results of this analysis show that storage and peaking dams generally 1) reduced the magnitude of water temperature variations at seasonal, daily and subdaily timescales and 2) increased the late-summer (September) magnitude of the thermal regime. Run-of-river dams did not modify the thermal regime of rivers, with the exception of the subdaily pattern of variation which exhibited a greater number of changes of direction throughout the day compared to unregulated rivers. Thermal regime modification was significantly correlated to the impounded runoff index (ratio between the maximum storage capacity of the reservoir and the median annual runoff of the basin). An important modification of the thermal regime of rivers was generally observed for dams with an impounded runoff index greater than 10 %. The fourth specific objective was to improve the estimation of the evaporative heat flux in a water temperature model. Based on a mass-balance approach, a method to measure river evaporation was developed. River evaporation was measured with floating minipans in two watercourses in a forest catchment: the medium-sized Little Southwest Miramichi River (LSWM, 1190 km²) and the Catamaran Brook (CatBk, 27 km²). Using evaporation measurements, mass transfer models were calibrated to estimate the evaporation rate from microclimatic conditions (wind speed, vapor pressure deficit). During the summer 2012, the mean daily evaporation rate was 3.0 mm day-1 at LSWM and 1.0 mm day-1 at CatBk. Mass transfer models were used to estimate the evaporative heat flux in a water temperature model at an hourly time step. At both study sites, the evaporative heat flux corresponded to the main heat loss mechanism during the summer: evaporation represented 42 % of heat losses at LSWM and 34 % of heat losses at CatBk. This thesis lead to the development and comparison of tools to characterize the thermal regime of rivers: the analysis of periodicities by fitting a sinusoidal function proved a parsimonious method to characterize seasonality while the approach based on the natural thermal regime concept allowed the assessment of individual features of the thermal regime. The application of these tools was conclusive for the development of a classification and the conduction of impact assessments. Findings from this research highlighted the important influence of dams on the thermal regime of rivers in eastern Canada. Faced with these impacts, modelling tools play an essential role in the management of the thermal regime of regulated rivers. Accordingly, the method developed in this thesis to measure river evaporation could be used to improve the estimation of the evaporative heat flux in regulated rivers.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: St-Hilaire, André
Co-directeurs de mémoire/thèse: Caissie, Daniel; El-Jabi, Nassir
Mots-clés libres: régime thermique; température de l’eau; rivière; impact; barrage; régulation; caractérisation; classification; modélisation; évaporation ; thermal regime; water temperature; stream; impact; dam; regulated; characterization; classification; modelling; evaporation
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 01 sept. 2016 13:51
Dernière modification: 01 sept. 2016 13:51
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/4398

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