Harris, James
(2026).
« Quantifying the groundwater contribution to a Canadian Shield lake and its hydrological resilience under changing climatic conditions (Quebec, Canada) » Thèse.
Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Doctorat en sciences de la Terre et de l'atmosphère.
Fichier(s) associé(s) à ce document :
Résumé
Les interactions entre les lacs et les eaux souterraines peuvent être importantes en fonction des contextes hydrogéologiques et climatiques, mais ces interactions n'ont été étudiées que pour un nombre relativement restreint de lacs à travers le monde. L'absence d'observations à long terme entrave les efforts visant à quantifier le rôle des eaux souterraines dans le maintien des bilans hydriques des lacs, ce qui représente un défi majeur pour la gestion de ces ressources sous les pressions croissantes du développement humain et des conditions climatiques futures incertaines. Le but de cette thèse était d'étudier comment des méthodes accessibles peuvent être mises en oeuvre pour quantifier la contribution des eaux souterraines à un lac de drainage boréal de taille moyenne dans un contexte de données disponibles limitées. Les objectifs spécifiques de la thèse étaient 1) d’estimer l'écoulement des eaux souterraines dans un lac du Québec méridional où les données sont limitées, en utilisant une approche du bilan hydrique contrainte par le cadre de Budyko, 2) d’évaluer l'impact du changement climatique sur le bilan hydrique des lacs dans les climats froids et humides, et 3) de comprendre les seuils de résilience hydrologique de ces lacs lorsqu’ils sont exposés à des changements climatiques extrêmes. Le lac Papineau de 13 km2 situé sur le Bouclier canadien, à mi-chemin entre Ottawa et Montréal dans le sud du Québec, a servi d'étude de cas. La contribution nette à long terme des eaux souterraines lacustres au lac Papineau a été quantifiée dans le deuxième chapitre de cette thèse comme le résidu d'un bilan hydrique classique du lac, dans lequel les apports (ruissellement, débit de base, et précipitations) sont équilibrés par les flux sortants (évaporation et décharge). Les composantes du bilan ont été estimées à l'aide d'un modèle de bilan hydrique du bassin versant, en conjonction avec le cadre de Budyko, afin de limiter la répartition des précipitations disponibles entre la décharge et l'évapotranspiration réelle. En raison du nombre limité d'observations sur la décharge du lac (six ans), l'utilité d'intégrer les conditions hydrométriques passées reconstituées par apprentissage automatique dans la caractérisation des apports d’eau souterraine lacustre à long terme a été étudiée. Ce chapitre a mis en évidence la contribution non négligeable des eaux souterraines lacustres (4-7% des apports totaux) dans le maintien des bilans hydriques des lacs boréaux, tout en reconnaissant les incertitudes liées aux méthodes utilisées. Les eaux souterraines lacustres entrantes et sortantes ont été quantifiés à l'aide d'un modèle numérique d'écoulement souterrain Modflow plus robuste sur le plan hydrogéologique dans le troisième chapitre. Calibré à partir des observations hydrométriques et piézométriques, le modèle a permis de caractériser les apports saisonniers à long terme des eaux souterraines lacustres, qui étaient autrement très incertains à l'aide de la méthode du bilan hydrique résiduel. Les résultats sont largement conformes à l'estimation annuelle à long terme dérivée de la technique du bilan résiduel et soulignent l'importance des eaux souterraines lacustres dans le maintien des apports estivaux aux lacs lorsque la contribution des eaux souterraines de base diminue et que l'évaporation est plus importante. La simulation des impacts futurs d'un ensemble de 12 scénarios de changement climatique CMIP5, forcés par les scénarios d'émissions RCP4.5 et RCP8.5, a révélé la résilience hydrologique relative du lac Papineau, en l'absence de répartition entre les apports et les écoulements constitutifs. Les résultats montrent que ni les apports des eaux souterraines lacustres ni ceux du débit de base ne seraient modifiés de manière significative dans le futur. La capacité tampon des eaux souterraines lacustres estivales, démontrée dans les conditions observées, semble être maintenue dans les conditions futures testées. Ces résultats soulignent le rôle important des eaux souterraines lacustres dans l'atténuation des effets du changement climatique sur l’hydrologie des lacs dans les climats froids et humides. Le chapitre quatre de cette thèse a examiné dans quelles conditions climatiques cette résilience pourrait être dépassée. L'hydrologie du lac Papineau a été simulée à l'aide du modèle développé au chapitre deux, cette fois avec des forçages perturbés pour chaque membre de l'ensemble CMIP5 (augmentation de la température et augmentation et diminution des précipitations). La résilience hydrologique du bassin versant et du bilan hydrique du lac a été évaluée à l'aide du cadre Budyko pour décrire les changements à long terme des indices d'évaporation et d'aridité. Les seuils de changement climatique à partir desquels l'hydrologie du lac Papineau pourrait basculer d'un bassin versant où la décharge domine à long terme vers un bassin versant dominé par l’évapotranspiration ont été identifiés. Les eaux souterraines lacustres se sont à nouveau révélées contribuer de manière importante au lac Papineau, compensant ainsi la réduction des autres apports. Avec des conditions climatiques perturbées induisant des transitions vers un régime hydrologique du bassin versant dominé par l'évapotranspiration, les eaux souterraines lacustres permettent d'atténuer la sévérité de ces effets sur le bilan hydrique du lac Papineau. Ces résultats confirment le rôle des eaux souterraines lacustres dans l'atténuation des impacts du changement climatique futur et le maintien de certains aspects de la résilience hydrologique des lacs dans les climats froids et humides. Cette thèse a permis d’évaluer l'importance des eaux souterraines lacustres dans le bilan hydrique des lacs boréaux, renforçant ainsi l'argument selon lequel cette contribution, souvent considérée comme négligeable, doit être prise en compte dans la caractérisation de l'hydrologie des lacs. Les résultats montrent que les eaux souterraines lacustres compensent la diminution saisonnière des apports d'eau dans les conditions climatiques actuelles et futures, contribuant ainsi à la résilience hydrologique du lac Papineau. Cette composante pourrait en outre atténuer les effets d'un changement climatique encore plus extrême sur l'hydrologie des lacs dans les climats froids et humides. Bien que cette recherche ait démontré l'utilité du cadre de Budyko pour limiter la répartition des flux sortants des bassins versants, des estimations plus fiables de l'évapotranspiration permettraient de mieux définir les seuils régissant la résilience hydrologique des lacs au changement climatique. Ce travail a également démontré l'efficacité de méthodes accessibles pour fournir une estimation du rôle non négligeable et saisonnier des eaux souterraines lacustres dans le bilan hydrique des lacs, qui peuvent être appliquées dans des contextes où les données d'observation sont également limitées. À ce titre, cette thèse souligne la nécessité pour les gestionnaires de l'eau de protéger les caractéristiques du paysage qui contribuent à la recharge des eaux souterraines et de prendre en compte les impacts potentiels du développement humain sur les interactions entre les lacs et les eaux souterraines.
_____________________________________________________________________________
MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : lac; eaux souterraines; bilan hydrique lacustre; modèle numérique; apprentissage automatique; Budyko; changement climatique; Québec (Canada)
| Type: |
Thèse ou essai doctoral accepté
|
| Informations complémentaires: |
Fichier numérique reçu et enrichi en format PDF/A. |
|
Directeur de thèse: |
Larocque, Marie |
| Mots-clés ou Sujets: |
Eau souterraine / Écoulement / Évacuation dans les cours d'eau, lacs, etc. / Lacs / Bilan hydrologique / Modèles hydrologiques / Changements climatiques / Lac Papineau / Québec (Province) |
| Unité d'appartenance: |
Faculté des sciences > Département des sciences de la Terre et de l'atmosphère |
| Déposé par: |
Service des bibliothèques
|
| Date de dépôt: |
24 févr. 2026 11:43 |
| Dernière modification: |
24 févr. 2026 11:43 |
| Adresse URL : |
https://archipel.uqam.ca/secure/id/eprint/19714 |
RECHERCHER
PARCOURIR
LIBRE ACCÈS
