Vers une meilleure modélisation de la température de l’eau des rivières en climat subarctique continental : implications sur la vulnérabilité de l’habitat du saumon de l’atlantique et de l’omble chevalier dans un contexte de changement climatique

Rincón, Eisinhower ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4598-523X (2025). Vers une meilleure modélisation de la température de l’eau des rivières en climat subarctique continental : implications sur la vulnérabilité de l’habitat du saumon de l’atlantique et de l’omble chevalier dans un contexte de changement climatique Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 174 p.

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Résumé

La température de l’eau est l’une des variables les plus importantes pour l’étude des écosystèmes d’eau douce, car elle contrôle plusieurs processus clés qui déterminent leur qualité et affectent la survie de la plupart des espèces aquatiques. Dans l’hémisphère nord en particulier, les évaluations du changement climatique récentes ont montré une augmentation progressive des températures estivales moyennes, ce qui implique un danger de la survie d’espèces clés telles que le saumon de atlantique (Salmo salar) et l’omble chevalier (Salvelinus alpinus). Compte tenu de ces relations, il est impératif de mieux comprendre les processus physiques qui déterminent la température de l’eau afin d’améliorer la gestion des ressources en eau, en particulier dans les bassins peu instrumentés où les informations de surface sont rares. L’un des outils les plus importants pour étudier ce type de bassins sont les modèles hydrologiques. Ces outils permettent de simuler différents scénarios et de réaliser des expériences sur l’évolution des rivières sous l’effet des changements climatiques. Cette thèse décrit les améliorations apportées au modèle CEQUEAU. De même, ce travail présente différentes études de cas dans lesquelles les outils développés ont été testés. Afin d’améliorer la mise en œuvre de CEQUEAU, un modèle hydrologique et de température de l’eau semi-distribué, la bibliothèque pyCEQUEAU a été développée. pyCEQUEAU est une bibliothèque Python de libre accès qui permet de traiter les informations physiographiques et météorologiques requises par le modèle CEQUEAU. Cette bibliothèque fournit différentes options pour la visualisation spatialement distribuée des simulations hydrologiques et de température de l’eau. En même temps, pyCEQUEAU permet de construire des structures de données complexes qui étaient difficiles à obtenir et qui avaient besoin de beaucoup de travail manuel. pyCEQUEAU représente une avancée par rapport aux outils précédemment utilisés pour le modèle CEQUEAU, principalement en raison de sa nature open source et de sa structure de programmation orientée objet, qui le rend facile à maintenir et à mettre à jour avec de nouvelles fonctionnalités. Par la suite, CEQUEAU a été utilisé pour étudier les régimes d’écoulement et de température de la rivière Aux-Mélèze, un bassin non perturbé et peu instrumenté situé dans le nord du Québec. Une méthodologie a été mise en œuvre pour inclure des sources de données satellitaires et de réanalyse climatique en conjonction avec des simulations hydrologiques. Cette méthodologie commence par l’utilisation de la bande infrarouge (TIR) de Landsat pour calculer la température de l’eau qui a été ensuite utilisée comme données de référence pour la calibration et la validation du modéle. La précision des valeurs de température dérivées du satellite sont comparables à celles des données de surface, ce qui implique une grande fiabilité de cette source de données. À l’aide de ces données de référence, les paramètres du modèle de température de l’eau ont été optimisés en utilisant trois méthodes de calibration différentes (site-unique, facteurs de mise à l’échelle et multi-sites). Les résultats indiquent que la calibration multi-site est la calibration optimale pour calibrer le modèle CEQUEAU. Ces résultats représentent la première évaluation du modèle CEQUEAU dans les rivières subarctiques et montrent qu’il s’agit d’un outil robuste et f iable pour décrire les régimes d’écoulement et de température de l’eau. En même temps, cette étude contribue à la compréhension des processus qui contrôlent la température de l’eau dans les régions froides, en fournissant des outils qui permettent aux chercheurs d’utiliser des modèles hydrologiques dans des régions difficiles d’accès tout en minimisant les exigences en matière de données. Par la suite, une évaluation des changements climatiques a été réalisée sur le bassin AuxMélèzes afin d’étudier les changements attendus dans les régimes spatiaux et temporels de la température de l’eau. À cette fin, 12 modèles CMIP6 et CMIP5 ont été utilisés pour produire différents scénarios. Les résultats indiquent que le bassin est actuellement un environnement favorable pour mantenir des populations saines d’omble chevalier et de saumon atlantique. Cependant, les projections de la température de l’eau à la fin du siècle montrent des tendances positives significatives dans les températures quotidiennes moyennes et maximales, les affluents se réchaufferont plus rapidement à l’avenir. En outre, les résultats de l’analyse de la probabilité de dépasser 23°C (un seuil thermique dangereux pour les deux espèces de poissons) indiquent que d’ici à 2100, les températures moyennes de l’eau dans le bassin ne favoriseront aucune des deux espèces de poissons. L’évolution vers des températures estivales plus chaudes soulève des questions sur les avantages concurrentiels entre les espèces de poissons, le saumon atlantique étant l’espèce qui présente la plus grande tolérance thermique. En outre, les évaluations des changements climatiques montrent que les températures positives de l’eau apparaîtront plus tôt au printemps, ce qui affectera de manière significative le cycle de reproduction des deux espèces de poissons, qui frayent en automne et dont les œufs passent l’hiver dans le lit de la rivière. Les résultats présentés ici sont conformes à la littérature sur les changements climatiques dans les régions arctiques et servent de référence aux planificateurs du territoire pour prendre des mesures afin de faire face aux effets négatifs des changements climatiques dans les régions arctiques. Finalement, le modèle physique de fonte des neiges UEB a été implémenté dans la structure modulaire de CEQUEAU afin d’améliorer les simulations pendant la période critique de fonte des neiges au printemps. Ce modèle a été comparé aux deux modèles existants dans CEQUEAU (CemaNeige et Degree-Day) pour évaluer la performance de la production de ruissellement et ses effets sur la température de l’eau. Les résultats montrent que, de manière générale, le modèle UEBest supérieur aux deux autres modèles et, en outre, il a besoin de moins de paramètres dans son processus de calibration, ce qui en fait l’option la plus parcimonieuse parmi les trois options. D’autre part, l’évaluation de la température de l’eau montre également que le modèle UEB est supérieur dans la simulation des températures de l’eau au début du printemps et améliore les valeurs moyennes obtenues en été. Ce résultat montre que l’implémentation du modèle Utah Energy Balance (UEB) est un ajout qui améliore la performance globale du modèle CEQUEAU pour la simulation des débits et des températures dans les bassins versants où l’hydrologie est dominée par la neige. Cependant, ces améliorations se font au prix d’une augmentation des données d’entrée, ainsi que de la capacité de calcul puisqu’il faut résoudre un système couplé d’équations différentielles non linéaires du premier ordre. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse représentent une avancée significative dans a) le développement du modèle CEQUEAU et b) son application à la simulation de l’écoulement et de la température de l’eau dans des bassins versants peu instrumentés de la région subarctique (Nunavik, Québec). En fait, cette thèse représente le premier exercice où CEQUEAU démontre de telles capacités. Les algorithmes développés profiteront aux futurs utilisateurs du modèle CEQUEAU et les méthodes présentées ici pour l’utilisation des données satellitaires faciliteront l’étude des bassins versants non instrumentés au Canada et dans le reste de l’Amérique du Nord. Les études futures sur le modèle CEQUEAU devraient se concentrer sur sa validation à l’aide d’informations de surface, ce qui peut augmenter la confiance dans la performance du modèle CEQUEAU.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	St-Hilaire, André
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Bergeron, Normand E.
Mots-clés libres:	fonte des neiges; CEQUEAU; Landsat; température de l’eau; changements climatiques; pyCEQUEAU
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	21 oct. 2025 18:23
Dernière modification:	21 oct. 2025 18:23
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16708

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