Utilisation du concept de connectivité en hydrologie : définitions, approches expérimentales et éléments de modélisation

Alors que certains mécanismes pourtant jugés cruciaux pour la transformation de la pluie en débit restent peu ou mal compris, le concept de connectivité hydrologique a récemment été proposé pour expliquer pourquoi certains processus sont déclenchés de manière épisodique en fonction des caractéristiques des événements de pluie et de la teneur en eau des sols avant l’événement. L’adoption de ce nouveau concept en hydrologie reste cependant difficile puisqu’il n’y a pas de consensus sur la définition de la connectivité, sa mesure, son intégration dans les modèles hydrologiques et son comportement lors des transferts d’échelles spatiales et temporelles. Le but de ce travail doctoral est donc de préciser la définition, la mesure, l’agrégation et la prédiction des processus liés à la connectivité hydrologique en s’attardant aux questions suivantes : 1) Quel cadre méthodologique adopter pour une étude sur la connectivité hydrologique ?, 2) Comment évaluer le degré de connectivité hydrologique des bassins versants à partir de données de terrain ?, et 3) Dans quelle mesure nos connaissances sur la connectivité hydrologique doivent-elles conduire à la modification des postulats de modélisation hydrologique ? Trois approches d’étude sont différenciées, soit i) une approche de type « boite noire », basée uniquement sur l’exploitation des données de pluie et de débits sans examiner le fonctionnement interne du bassin versant ; ii) une approche de type « boite grise » reposant sur l’étude de données géochimiques ponctuelles illustrant la dynamique interne du bassin versant ; et iii) une approche de type « boite blanche » axée sur l’analyse de patrons spatiaux exhaustifs de la topographie de surface, la topographie de subsurface et l’humidité du sol. Ces trois approches sont ensuite validées expérimentalement dans le bassin versant de l’Hermine (Basses Laurentides, Québec). Quatre types de réponses hydrologiques sont distingués en fonction de leur magnitude et de leur synchronisme, sachant que leur présence relative dépend des conditions antécédentes. Les forts débits enregistrés à l’exutoire du bassin versant sont associés à une contribution accrue de certaines sources de ruissellement, ce qui témoigne d’un lien hydraulique accru et donc d’un fort degré de connectivité hydrologique entre les sources concernées et le cours d’eau. Les aires saturées couvrant des superficies supérieures à 0,85 ha sont jugées critiques pour la genèse de forts débits de crue. La preuve est aussi faite que les propriétés statistiques des patrons d’humidité du sol en milieu forestier tempéré humide sont nettement différentes de celles observées en milieu de prairie tempéré sec, d’où la nécessité d’utiliser des méthodes de calcul différentes pour dériver des métriques spatiales de connectivité dans les deux types de milieux. Enfin, la double existence de sources contributives « linéaires » et « non linéaires » est mise en évidence à l’Hermine. Ces résultats suggèrent la révision de concepts qui sous-tendent l’élaboration et l’exécution des modèles hydrologiques. L’originalité de cette thèse est le fait même de son sujet. En effet, les objectifs de recherche poursuivis sont conformes à la théorie hydrologique renouvelée qui prône l’arrêt des études de particularismes de petite échelle au profit de l’examen des propriétés émergentes des bassins versants telles que la connectivité hydrologique. La contribution majeure de cette thèse consiste ainsi en la proposition d’une définition unifiée de la connectivité, d’un cadre méthodologique, d’approches de mesure sur le terrain, d’outils techniques et de pistes de solution pour la modélisation des systèmes hydrologiques.

Réduction du ruissellement par l’augmentation de surfaces perméables : évaluation de 2 scénarios d’aménagement d’un ensemble résidentiel à Laval

L’implantation répandue de nouveaux quartiers résidentiels sur le territoire de la périphérie urbaine est en partie responsable de la baisse du couvert végétal et de l’augmentation des surfaces imperméables à grande échelle. Les villes sont maintenant aux prises avec une augmentation constante de la production de ruissellement qu'elles doivent gérer au moyen d’un vaste réseau d’égouts et de canalisations. Des données sur les impacts de ces modèles de quartier résidentiel nous révèlent que cette forme d’habitat provoque la dégradation des milieux naturels et aquatiques. La présente étude vise à mettre à l’épreuve la stratégie d’aménagement de l’Open space design en comparant l’effet de trois situations d’aménagement d’ensembles résidentiels sur le coefficient de ruissellement pondéré (Cp). Les trois situations étudiées sont 1 : le développement actuel tel que conçu par le promoteur, 2 : un scénario de quartier visant la préservation des cours d’eau existants ainsi qu’une réduction des lots et des surfaces imperméables et 3 : un quartier avec des types d’habitation plus denses. Les coefficients pondérés obtenus sont respectivement de 0,50 pour le quartier actuel, de 0,40 pour le scénario 1 et de 0,34 pour le scénario 2. Au terme de cet exercice, il apparaît, d’une part, que la densification du bâti, la nature des surfaces et l’organisation spatiale peuvent concourir à diminuer la production de ruissellement d’un quartier. Cette étude permet de situer l’importance de la gestion du ruissellement dans la planification et l’aménagement du territoire.

Le toit comme outil de régulation environnementale : le cas montréalais.

Cette recherche s’inscrit dans le cadre du programme interdisciplinaire de recherche Ignis Mutat Res et vise à éclairer l’univers de l’architecture sur la capacité des toits à amener des solutions efficaces aux problématiques environnementales dans un contexte urbain dense et à forte consommation d'énergie. La volonté de réduire l’empreinte écologique des villes est aujourd’hui bien présente dans le monde de la recherche architecturale et urbaine, ayant ainsi fait preuve de son importance. Pourtant, la réduction de l’empreinte écologique des villes serait une approche globale difficile à quantifier économiquement. Le manque de méthodologie standardisée fait en sorte que les travaux sur le sujet empruntent des démarches qui ne dépassent pas l’étape exploratoire. Dans ce contexte, le mémoire porte sur l’élaboration d’un dispositif numérique d’évaluation des potentialités des toits horizontaux comme un outil d’aide à la décision pour les interventions urbaines visant à réduire l’empreinte écologique des villes, en utilisant le cas de Montréal. Ce type de toit est abordé comme un territoire d’investigation en contribution aux préoccupations reliées à la gestion de l’eau et à l’atténuation des îlots de chaleur. Plus précisément, cette recherche porte sur trois secteurs de l'île de Montréal. Ces échantillons correspondent à deux types de formes urbaines (résidentielle versus commerciale ou industrielle) et sont décortiqués dans le but d’identifier les déséquilibres entre les espaces naturels, faisant référence aux espaces verts (jardins, parcs et canopées) et les étendues minérales occasionnées par l'urbanisation. Ces rapports exprimés en superficies démontrent que l’étendue des toits est assez considérable pour compenser le manque d’espaces naturels en ville. La végétalisation des toits à l’échelle d’un secteur pourrait donc atténuer considérablement les problèmes environnementaux liés aux îlots de chaleur et à la gestion du ruissellement des eaux de pluie. La stratégie consistant à explorer l'hypothèse des 50 % de naturel versus 50 % de minéral pourrait contribuer grandement à l’autonomisation des villes et à la diminution de leurs dépendances vis-à-vis des ressources fossiles.