Influence des propriétés hydrodynamiques, des variations météorologiques et des contextes hydrogéologiques sur l'hydrologie de sept tourbières de la vallée du Saint-Laurent, Québec, Canada

Les tourbières sont des écosystèmes saturés en eau souvent connectés aux aquifères. Leur intégrité hydrologique et le maintien de leurs fonctions hydrologiques reposent sur leurs capacités à maintenir leurs niveaux de nappe près de la surface. La compréhension des processus qui contribuent à maintenir les niveaux est donc indispensable pour les protéger. L'objectif principal de cette thèse est de comprendre l'influence des propriétés hydrodynamiques, des variations météorologiques et des contextes hydrogéologiques sur le niveau d'eau de sept complexes tourbeux de la vallée du Saint-Laurent, Québec, Canada. Pour ce faire, sept tourbières ont été échantillonnées et instrumentées en tenant compte de la diversité des contextes hydrogéologiques dans lesquels elles se sont développées. Pour chacune des tourbières, trois zones (amont, intermédiaire, aval) ont été identifiées le long d'une ligne d'écoulement, et une zone de recharge de l'aquifère a été identifiée. Deux zones supplémentaires (minérotrophe et d'alimentation) ont été identifiées pour les tourbières qui étaient ceinturées d'une zone pouvant être alimentée par un aquifère. Pour chacune des tourbières, des carottes de tourbe de 1 m ont été prélevées dans les zones amont, intermédiaire et aval. Des travaux de laboratoire réalisés sur ces carottes ont permis de quantifier les conductivités hydrauliques, les coefficients d'emmagasinements et la densité apparente sèche des dépôts tourbeux. Toutes les zones étudiées sur chaque site (dans la tourbière et dans l'aquifère) ont été instrumentées de puits d'observation et de piézomètres munis de sondes pour le suivi automatique des niveaux d'eau qui ont été en opération de mai 2014 à juin 2016. Les séries temporelles et les données de laboratoire ont été analysées à l'aide d'analyse de variance, de fonctions d'autocorrélation, de corrélations linéaires, semi-logarithmiques et logarithmiques, ainsi que par l'analyse des variations des niveaux de nappe liées aux événements pluvieux et aux récessions. Toutes les analyses ont été réalisées avec le logiciel R. Le premier chapitre de la thèse a permis d'adapter, tester et valider la méthode Water Table Fluctuation permettant de quantifier les coefficients d'emmagasinement des tourbières. Des coefficients d'emmagasinement entre 0.13 et 0.99 variant sur 20 cm ont été calculés. Les valeurs les plus élevées correspondent au niveau maximal de la nappe et diminuent rapidement avec la profondeur, suivant une équation logarithmique. Une différence significative des capacités d'emmagasinement a été observée entre les sites. Cette différence suit un gradient géographique régional du sud-ouest vers le nord-est, ce qui concorde avec le gradient des degrés jour de croissance entre les sept tourbières. Le deuxième chapitre a permis de quantifier l'influence des propriétés hydrodynamiques des dépôts organiques comme facteurs explicatifs des variations des profondeurs de nappe. Pour tous les sites, les densités sèches apparentes varient entre 0.02 et 0.22 g/cm³ et les conductivités hydrauliques varient entre 1.4 cm/s et 3.0*10[-6]cm/s. Aucune variation significative des propriétés hydrodynamiques n'a été identifiée intra- et inter-sites. Cependant, les niveaux de nappe montrent des différences significatives d'un site à l'autre. Ceci est une indication que les propriétés hydrodynamiques ne sont pas le seul facteur qui contrôle le niveau des nappes et que les contextes météorologiques et hydrogéologiques pourraient être des facteurs explicatifs importants. Trois relations mathématiques ont été développées liant les coefficients d'emmagasinement à la profondeur, à la densité apparente sèche et à la conductivité hydraulique des dépôts tourbeux. Ces équations permettront aux modélisateurs de quantifier de manière plus fiable les propriétés hydrodynamiques de la tourbe dans des modèles éco-hydrologiques. Le troisième chapitre a permis de mieux comprendre l'influence des conditions météorologiques et des contextes hydrogéologiques sur les niveaux de nappe et leurs fluctuations dans les tourbières. Les conductivités hydrauliques des zones de recharge varient entre l.4*10[-7] et 8.5*10-³cm/s et sont fortement corrélées au niveau annuel de la nappe dans les tourbières. Les augmentations mensuelles des niveaux de nappe des tourbières sont fortement corrélées aux précipitations mensuelles. De manière similaire, les diminutions mensuelles des niveaux de nappe sont fortement corrélées aux températures moyennes mensuelles. Les résultats ont permis d'identifier qu'une baisse de 1 mm/mois dans les précipitations peut entraîner une baisse de 2 mm de la nappe de la tourbière, tandis qu'une augmentation de température de 1 °C/mois peut entraîner une baisse de 1 cm du niveau de nappe. L'application de cette méthode sur d'autres tourbières localisées dans des contextes climatiques différents permettra de mieux comprendre la vulnérabilité des tourbières aux changements climatiques. De plus, les analyses d'autocorrélation et de corrélation croisée ont permis de confirmer la présence d'un équilibre hydrique entre la zone ombrotrophe des tourbières et leurs contextes hydrogéologiques. Cela concorde avec le contrôle qu'exercent les zones de recharge sur les niveaux de nappe des tourbières démontré par la présence d'une forte corrélation entre la conductivité hydraulique des zones de recharge et les niveaux de nappe des tourbières. En ce sens, on distingue les tourbières dépendantes des eaux souterraines, ou fortement connectées, par une fluctuation accentuée de leur niveau d'eau et les tourbières indépendantes des eaux souterraines, ou faiblement connectées, par des variations limitées de leur niveau d'eau. Jusqu'ici, aucune étude n'avait encore démontré l'importance des conditions météorologiques et des contextes hydrogéologiques sur l'hydrologie des tourbières. Cette thèse apporte de nouvelles données, une meilleure compréhension et un nouvel éclairage du contrôle des facteurs externes sur les niveaux d'eau des tourbières. Les résultats de cette thèse pourront être utilisés pour quantifier les fonctions hydrologiques des tourbières et leur connectivité avec les aquifères, et pour évaluer la vulnérabilité des tourbières aux pressions apportées par les changements climatiques.

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