Évaluation de la contribution des eaux souterraines à la température des eaux de surface dans des rivières du Québec nordique.

Fakhari, Samuel (2024). Évaluation de la contribution des eaux souterraines à la température des eaux de surface dans des rivières du Québec nordique. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 206 p.

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Résumé

L'interaction entre les eaux souterraines (GW) et les eaux de surface (SW) des rivières peut affecter la quantité d'eau (disponibilité) et sa température, ce qui a un impact sur la vie aquatique. L'objectif de cette étude est de mieux comprendre et de quantifier l’interaction GW-SW à l’endroit de rivières nordiques affectées par les changements climatiques. Les travaux réalisés se sont attardés à identifier les zones d'écoulement de GW dans les rivières, analyser leurs caractéristiques hydrogéomorphologiques, quantifier le rôle de GW dans le bilan thermique des rivières et anticiper les changements dans l'interaction entre le GW et le SW en considérant les scénarios de changement climatique prévus. Deux rivières ont été sélectionnées pour l’étude afin d'évaluer les mécanismes physiques qui gouvernent l'interaction GW-SW selon deux climats différents et dans des conditions avec et sans pergélisol, soit pour la rivière Sainte-Marguerite localisée au sud de la province de Québec et sans pergélisol ainsi que la rivière Bérard au nord et avec un pergélisol discontinu. La méthodologie a consisté en une combinaison de techniques pour la collecte des données sur le terrain et des travaux de modélisation numérique pour simuler l’écoulement de l’eau et son comportement thermique. Les mesures sur le terrain ont consisté en l'imagerie thermique aérienne (TAI) des rivières, des mesures de radon dans l’eau pour l'identification des refuges thermiques et des zones de refroidissement, l'installation de piézomètres en berge et dans le lit des rivières ainsi que le suivi du niveau d'eau et la température avec des capteurs submersibles. De plus, des essais à l’infiltromètre et de traçage passif et actif de la chaleur dans le lit des cours d’eau ont permis de quantifier le taux d'infiltration de GW dans les rivières. Les données récoltées ont ensuite été utilisées pour le développement et l'étalonnage de modèles numériques couplés d’écoulement d’eau et de transfert de chaleur qui a permis la simulation de scénarios de changements climatiques. Selon l'analyse de TAI des rivières étudiées, 89 % des refuges thermiques identifiés et environ 60 % des zones de refroidissement étaient contrôlés par le GW. Les concentrations en radon mesurées dans les zones de refroidissement ont montré une contribution évidente de GW à la température de SW et ainsi, GW a été considérée comme le principal contributeur d'eau froide dans les rivières. La continuité du pergélisol et la forme de la vallée fluviale se sont avérées être les principaux paramètres contrôlant la distribution des refuges thermiques et des zones de refroidissement. Les simulations numériques ont démontré que le GW peut affecter le bilan thermique des rivières selon plus de 30 % pendant les vagues de chaleur au cours des saisons chaudes et à faible débit. Pour la section de la rivière Bérard modélisée en coupe, les simulations ont démontré que selon les scénarios de changement climatique prévus, le dégel du pergélisol dans les régions septentrionales du Québec est inévitable d'ici 2100. Le dégel du pergélisol fera augmenter brusquement l'infiltration de GW dans le lit de la rivière par plus de trois ordres de grandeur. Pour la section modélisée de la rivière Sainte-Marguerite dans la zone sans pergélisol, l’augmentation d’infiltration de GW est progressive et considérable, mais inférieure à 50 %. La modification du taux d'infiltration de GW peut entrainer à l'avenir un changement de l'emplacement des zones de refroidissement des rivières et des refuges thermiques, et donc des différences dans la répartition des poissons dans les rivières.

The interaction between groundwater (GW) and surface water (SW) in rivers can affect the quantity of water (availability) and its temperature, which has an impact on aquatic life. The objective of this study is to better understand and quantify the GW-SW interaction in northern rivers affected by climate change. The work conducted focused on identifying GW flow zones in rivers, analyzing their hydrogeomorphological characteristics, quantifying the role of GW in the thermal balance of rivers, and anticipating changes in the interaction between GW and SW considering projected climate change scenarios. Two rivers were selected for the study to evaluate the physical mechanisms governing GW-SW interaction under two different climates and conditions with and without permafrost, namely the Sainte-Marguerite River located in the southern part of Quebec without permafrost and the Berard River in the northern part with discontinuous permafrost. The methodology involved a combination of field data collection techniques and numerical modeling to simulate water flow and its thermal behavior. Field measurements included thermal aerial imagery (TAI) of rivers, radon measurements in the water to identify thermal refuges and cooling zones, installation of shoreline and riverbed piezometers, as well as monitoring of water level and temperature using submersible sensors. Additionally, infiltration tests and passive and active heat tracing in riverbeds were conducted to quantify the rate of GW infiltration into the rivers. The collected data were then used for the development and calibration of coupled numerical models of water flow and heat transfer, enabling the simulation of climate change scenarios. According to the analysis of TAI for the studied rivers, approximately 89% of identified thermal refuges and around 60% of cooling zones were influenced by GW. Radon concentrations measured in cooling zones showed a clear contribution of GW to the SW temperature, establishing GW as the primary contributor of cold water to the rivers. Permafrost continuity and valley shape were found to be the main parameters controlling the distribution of thermal refuges and cooling zones. Numerical simulations demonstrated that GW could affect the thermal balance of rivers by over 30% during heat waves in warm and low-flow seasons. For the modeled section of the Berard River, simulations showed that, based on projected climate change scenarios, permafrost thaw in northern Quebec regions is inevitable by 2100. The permafrost thaw will abruptly increase GW infiltration into the riverbed by more than three orders of magnitude. In the studied segment of the Sainte-Marguerite River located in the region without permafrost, the rise in GW infiltration was gradual and considerable, but below 50%. Changes in GW infiltration rates may lead to future shifts in the location of river cooling zones and thermal refuges, thereby influencing the distribution of fish in the rivers.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Raymond, Jasmin
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Martel, Richard
Mots-clés libres:	modélisation hydrothermale; transfert de chaleur; température des cours d'eau; interaction entre les eaux de surface et les eaux souterraines; imagerie thermique aérienne; radon; traçage thermique; infiltromètre; refuge thermique; zones de refroidissement; pergélisol; hydrothermal modeling; heat transfer; river water temperature; interaction between SW and GW; thermal aerial imaging; radon; thermal tracing; infiltrometer; thermal refuge; cooling zones; permafrost
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	18 avr. 2024 14:27
Dernière modification:	18 avr. 2024 14:27
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15616

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