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.

Les transformations microbiennes de l’azote dans les grandes rivières

Les rivières reçoivent de l'azote de leurs bassins versants et elles constituent les derniers sites de transformations des nutriments avant leur livraison aux zones côtières. Les transformations de l’azote inorganique dissous en azote gazeux sont très variables et peuvent avoir un impact à la fois sur l’eutrophisation des côtes et les émissions de gaz à effet de serre à l’échelle globale. Avec l’augmentation de la charge en azote d’origine anthropique vers les écosystèmes aquatiques, les modèles d’émissions de gaz à effet de serre prédisent une augmentation des émissions d’oxyde nitreux (N2O) dans les rivières. Les mesures directes de N2O dans le Lac Saint-Pierre (LSP), un élargissement du Fleuve Saint-Laurent (SLR) indiquent que bien qu’étant une source nette de N2O vers l'atmosphère, les flux de N2O dans LSP sont faibles comparés à ceux des autres grandes rivières et fleuves du monde. Les émissions varient saisonnièrement et inter-annuellement à cause des changements hydrologiques. Les ratios d’émissions N2O: N2 sont également influencés par l’hydrologie et de faibles ratios sont observés dans des conditions de débit d'eau plus élevée et de charge en N élevé. Dans une analyse effectuée sur plusieurs grandes rivières, la charge hydraulique des systèmes semble moduler la relation entre les flux de N2O annuels et les concentrations de nitrate dans les rivières. Dans SLR, des tapis de cyanobactéries colonisant les zones à faible concentration de nitrate sont une source nette d’azote grâce à leur capacité de fixer l’azote atmosphérique (N2). Étant donné que la fixation a lieu pendant le jour alors que les concentrations d'oxygène dans la colonne d'eau sont sursaturées, nous supposons que la fixation de l’azote est effectuée dans des micro-zones d’anoxie et/ou possiblement par des diazotrophes hétérotrophes. La fixation de N dans les tapis explique le remplacement de près de 33 % de la perte de N par dénitrification dans tout l'écosystème au cours de la période d'étude. Dans la portion du fleuve Hudson soumis à la marée, la dénitrification et la production de N2 est très variable selon le type de végétation. La dénitrification est associée à la dynamique en oxygène dissous particulière à chaque espèce durant la marée descendante. La production de N2 est extrêmement élevée dans les zones occupées par les plantes envahissantes à feuilles flottantes (Trapa natans) mais elle est négligeable dans la végétation indigène submergée. Une estimation de la production de N2 dans les lits de Trapa durant l’été, suggère que ces lits représentent une zone très active d’élimination de l’azote. En effet, les grands lits de Trapa ne représentent que 2,7% de la superficie totale de la portion de fleuve étudiée, mais ils éliminent entre 70 et 100% de l'azote total retenu dans cette section pendant les mois d'été et contribuent à près de 25% de l’élimination annuelle d’azote.

Évaluation de l’effet des vagues de bateau sur les conditions hydrauliques près des berges en milieu fluvial

Les vagues de bateau ajoutent une pression supplémentaire sur les berges de rivières et doivent être considérées dans les modèles de prédiction des taux de recul des berges. L’objectif de cette étude est d’examiner le rôle des vagues de bateau sur l’écoulement et le transport en suspension le long des berges en milieu fluvial. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons un transect perpendiculaire à la berge de quatre courantomètres électromagnétiques (ECMs) mesurant deux dimensions de l’écoulement et deux turbidimètres (OBSs) placés dos à dos, orientés vers la berge et le large pour mesurer les conditions moyennes et turbulentes de l’écoulement longitudinal et vertical ainsi que les flux de sédiments en suspension provoqués par les vagues. Une chaloupe à moteur de 16 pieds, équipée d’un moteur 40 hp, a été utilisée afin de générer des vagues. Nous avons mesuré l’effet de trois distances à partir de la berge (5, 10, 15 m) et trois vitesses de bateau (5, 15 et 25 km/h) et cinq répliques de chaque combinaison de distance et de vitesse ont été réalisées, totalisant 45 passages. Nous avons caractérisé la variabilité des conditions d’écoulement, de vagues et de transport de sédiments et nous avons réalisé des analyses spectrales afin de séparer les portions oscillatoire et turbulente de l’écoulement généré par les vagues de bateau. L’effet de la distance et de la vitesse du bateau sur le transport de sédiments est non-linéaire et la réponse sédimentaire induite par les passages de bateau montre une variabilité importante entre les répliques et les deux sondes OBS, ce qui suggère un changement morphologique induit par les vagues de bateau. Les corrélations entre les variables d’écoulement et de transport montrent l’importance des relations entre le cisaillement et la puissance de la portion turbulente de l’écoulement avec le transport de sédiments. Cette étude a permis de quantifier les relations entre la dynamique des vagues et les flux de concentrations de sédiments en suspension, ce qui représente une contribution importante au développement de mesures de mitigation dans les environnements fluviaux où les berges sont fragilisées par le trafic plaisancier.

Reconstruction des mouvements du plasma dans une région active solaire à l'aide de données d'observation et d'une minimisation Lagrangienne

À ce jour, les différentes méthodes de reconstruction des mouvements du plasma à la surface du Soleil qui ont été proposées présupposent une MHD idéale (Welsch et al., 2007). Cependant, Chae & Sakurai (2008) ont montré l’existence d’une diffusivité magnétique turbulente à la photosphère. Nous introduisons une généralisation de la méthode du Minimum Energy Fit (MEF ; Longcope, 2004) pour les plasmas résistifs. Le Resistive Minimum Energy Fit (MEF-R ; Tremblay & Vincent, 2014) reconstruit les champs de vitesse du plasma et la diffusivité magnétique turbulente qui satisfont à l’équation d’induction magnétique résistive et qui minimisent une fonctionnelle analogue à l’énergie cinétique totale. Une séquence de magnétogrammes et de Dopplergrammes sur les régions actives AR 9077 et AR 12158 ayant chacune produit une éruption de classe X a été utilisée dans MEF-R pour reconstruire les mouvements du plasma à la surface du Soleil. Les séquences temporelles des vitesses et des diffusivités magnétiques turbulentes calculées par MEF-R sont comparées au flux en rayons X mous enregistré par le satellite GOES-15 avant, pendant et après l’éruption. Pour AR 12158, nous observons une corrélation entre les valeurs significatives de la diffusivité magnétique turbulente et de la vitesse microturbulente pour les champs magnétiques faibles.

Modélisation statistique de l’érosion de cavitation d’une turbine hydraulique selon les paramètres d’opération

Dans une turbine hydraulique, la rotation des aubes dans l’eau crée une zone de basse pression, amenant l’eau à passer de l’état liquide à l’état gazeux. Ce phénomène de changement de phase est appelé cavitation et est similaire à l’ébullition. Lorsque les cavités de vapeur formées implosent près des parois, il en résulte une érosion sévère des matériaux, accélérant de façon importante la dégradation de la turbine. Un système de détection de l’érosion de cavitation à l’aide de mesures vibratoires, employable sur les turbines en opération, a donc été installé sur quatre groupes turbine-alternateur d’une centrale et permet d’estimer précisément le taux d’érosion en kg/ 10 000 h. Le présent projet vise à répondre à deux objectifs principaux. Premièrement, étudier le comportement de la cavitation sur un groupe turbine-alternateur cible et construire un modèle statistique, dans le but de prédire la variable cavitation en fonction des variables opératoires (tels l’ouverture de vannage, le débit, les niveaux amont et aval, etc.). Deuxièmement, élaborer une méthodologie permettant la reproductibilité de l’étude à d’autres sites. Une étude rétrospective sera effectuée et on se concentrera sur les données disponibles depuis la mise à jour du système en 2010. Des résultats préliminaires ont mis en évidence l’hétérogénéité du comportement de cavitation ainsi que des changements entre la relation entre la cavitation et diverses variables opératoires. Nous nous proposons de développer un modèle probabiliste adapté, en utilisant notamment le regroupement hiérarchique et des modèles de régression linéaire multiple.

Electro-Optical Properties of Metal Phthalocyanines and Naphthalocyanines

The thesis deals with the preparation of chemical, optical, thermal and electrical characterization of five compounds, namely metal free naphthalocyanine, vanadyl napthalocyanine, zinc naphlocyanine, europium dinaphthalocyanine, and europium diphthalocyanine in the pristine and iodine-doped forms. Two important technological properties of these compounds have been investigated. The electrical properties are important in applications sensors and semiconductor lasers. Opto-thermal properties assume significance for optical imaging and data recording. The electrical properties were investigated by dc and ac techniques. This work has revealed some novel information on the conduction mechanism in five macrocyclic compounds and their iodine-doped forms. Also useful data on the thermal diffusivity of the target compounds have been obtained by optical techniques.

Thermal characterization of methylene blue intercalated montmorillonites by photoacoustic technique

Thermal diffusivity (TD) measurement on commercial K-10 and KSF montmorillonites was carried out by photoacoustic technique. The TD of the montmorillonites after methylene blue adsorption changed with the dye concentration. The repeatedly adsorbed samples showed a lesser TD than the single adsorbed samples. After methylene blue adsorption the acid leached K-10 samples showed well defined changes in TD when compared to the ordered KSF samples.

Laser-induced thermal characterization of nano Ag metal dispersed ceramic alumina matrix

In this paper, we report the measurements of thermal diffusivity of nano Ag metal dispersed ceramic alumina matrix sintered at different temperatures using laser induced non-destructive photoacoustic technique. Measurements of thermal diffusivity also have been carried out on specimens with various concentration of nano metal. Analysis of the data is done on the basis of one-dimensional model of Rosencwaig and Gersho. The present measurements on the thermal diffusivity of nano metal dispersed ceramic alumina shows that porosity has a great influence on the heat transport and the thermal diffusivity value. The present analysis also shows that the inclusion of nano metal into ceramic matrix increases its interconnectivity and hence the thermal diffusivity value. The present study on the samples sintered at different temperature shows that the porosity of the ceramics varies considerably with the change in sintering temperature. The results are interpreted in terms of phonon assisted heat transfer mechanism and the exclusion of pores with the increase in sintering temperature.

Laser-induced thermal characterization of nano Ag metal dispersed ceramic alumina matrix

In this paper, we report the measurements of thermal diffusivity of nano Ag metal dispersed ceramic alumina matrix sintered at different temperatures using laser induced non-destructive photoacoustic technique. Measurements of thermal diffusivity also have been carried out on specimens with various concentration of nano metal. Analysis of the data is done on the basis of one-dimensional model of Rosencwaig and Gersho. The present measurements on the thermal diffusivity of nano metal dispersed ceramic alumina shows that porosity has a great influence on the heat transport and the thermal diffusivity value. The present analysis also shows that the inclusion of nano metal into ceramic matrix increases its interconnectivity and hence the thermal diffusivity value. The present study on the samples sintered at different temperature shows that the porosity of the ceramics varies considerably with the change in sintering temperature. The results are interpreted in terms of phonon assisted heat transfer mechanism and the exclusion of pores with the increase in sintering temperature

Laser-induced thermal characterization of nano Ag metal dispersed ceramic alumina matrix

In this paper, we report the measurements of thermal diffusivity of nano Ag metal dispersed ceramic alumina matrix sintered at different temperatures using laser induced non-destructive photoacoustic technique. Measurements of thermal diffusivity also have been carried out on specimens with various concentration of nano metal. Analysis of the data is done on the basis of one-dimensional model of Rosencwaig and Gersho. The present measurements on the thermal diffusivity of nano metal dispersed ceramic alumina shows that porosity has a great influence on the heat transport and the thermal diffusivity value. The present analysis also shows that the inclusion of nano metal into ceramic matrix increases its interconnectivity and hence the thermal diffusivity value. The present study on the samples sintered at different temperature shows that the porosity of the ceramics varies considerably with the change in sintering temperature. The results are interpreted in terms of phonon assisted heat transfer mechanism and the exclusion of pores with the increase in sintering temperature

Photoacoustic studies on thermal parameters of liquid crystal mixtures

Complete thermal characterization of liquid crystal mixtures in the smectic phase consisting of various relative volume fractions of cholesterol and 1-hexadecanol have been carried out using the photoacoustic technique. Thermal diffusivity values of these liquid crystal mixtures are evaluated using the open cell photoacoustic technique whereas the thermal effusivity value is measured using the conventional photoacoustic technique. From the measured values of these transient thermophysical parameters, the thermal conductivity and heat capacity of the sample under investigation are calculated. Analyses of the results show that all the thermophysical parameters depend strongly on the volume fraction of the constituents. Results are interpreted in terms of enhanced hydrogen bonding and the consequent enhancement in cohesive thermal energy transport with increasing volume fraction of 1-hexadecanol

Photoacoustic studies on thermal parameters of liquid crystal mixtures

Complete thermal characterization of liquid crystal mixtures in the smectic phase consisting of various relative volume fractions of cholesterol and 1-hexadecanol have been carried out using the photoacoustic technique. Thermal diffusivity values of these liquid crystal mixtures are evaluated using the open cell photoacoustic technique whereas the thermal effusivity value is measured using the conventional photoacoustic technique. From the measured values of these transient thermophysical parameters, the thermal conductivity and heat capacity of the sample under investigation are calculated. Analyses of the results show that all the thermophysical parameters depend strongly on the volume fraction of the constituents. Results are interpreted in terms of enhanced hydrogen bonding and the consequent enhancement in cohesive thermal energy transport with increasing volume fraction of 1-hexadecanol

Photoacoustic studies on thermal parameters of liquid crystal mixtures

Complete thermal characterization of liquid crystal mixtures in the smectic phase consisting of various relative volume fractions of cholesterol and 1-hexadecanol have been carried out using the photoacoustic technique. Thermal diffusivity values of these liquid crystal mixtures are evaluated using the open cell photoacoustic technique whereas the thermal effusivity value is measured using the conventional photoacoustic technique. From the measured values of these transient thermophysical parameters, the thermal conductivity and heat capacity of the sample under investigation are calculated. Analyses of the results show that all the thermophysical parameters depend strongly on the volume fraction of the constituents. Results are interpreted in terms of enhanced hydrogen bonding and the consequent enhancement in cohesive thermal energy transport with increasing volume fraction of 1-hexadecanol

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons.