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RÉSUMÉ: La modélisation hydrodynamique est un élément fondamental du génie hydraulique. Elle permet de créer des modèles de bassins versants et de rivières pour la prédiction des inondations. La simulation des phénomènes d'inondation est un sujet de plus en plus important dans le domaine de la recherche en hydraulique. Compte tenu des exigences d'évaluation spécifiques dans les plans d'ingénierie des risques d'inondation, la modélisation des inondations devient très importante dans le génie hydraulique. La délimitation probabiliste des zones inondables joue un rôle déterminant dans les plans d'ingénierie des risques. Cette tâche importante est réalisable à l'aide de la simulation post-inondation et de la détermination des limites de l'étendue des inondations avec leurs probabilités d'occurrence correspondantes dans les zones étudiées. ABSTRACT: Hydrodynamic modeling including watershed, river and flood modeling is a fundamental part of hydraulic engineering. In this regard, simulation of flood phenomena is an increasingly important subject in hydraulic research domain. Considering specific evaluation requirements in flood risk engineering plans, flood modeling is becoming highly important based on hydrological method (rainfall-runoff) or hydraulic parameters in Hydraulic engineering.

Climatic stress vulnerability has cross-scaler influences on development interventions, particularly in developing countries. While most of climate adaptation plans and interventions are developed at national or international scales, relatively little attention has been paid to incorporate the contextual properties of climate vulnerability in adaptation-related decision making. Focusing on the wetland ecosystem dominated northeastern floodplain communities of Bangladesh, this exploratory research seeks to better understand how locally-specific socio-economic and biophysical properties serve to compound vulnerability to climatic stresses; how community members use their resources and assets in order to reduce their sensitivity to climatic stresses; and the extent to which government adaptation programmes reflect context-specific adaptation demands. Recognizing that Bangladesh is widely acknowledged to be one of the most climate-vulnerable countries in the world, this dissertation begins with a systematic literature review of the state of knowledge related to climate change impacts in Bangladesh. Results indicate a shortage of context specific scientific studies and identify that northeastern floodplain region is the most understudied area in the country. Issues related to multidisciplinary research approaches and geographic connectedness of research efforts point to potential limitations in the evidence base used to support public policy initiatives on climate change adaptation. A participatory climate stress exposure assessment reveals that local biophysical changes and resource use behaviors significantly contribute to compounding the impacts of climatic stresses. However, these observations are generally poorly represented in local-level climate model-based stress assessments. Results reveal that community stress perceptions are largely determined by the temporal occurrence of a climatic event, with a climatic event considered a stress if it occurs in their production period and causes losses to their productivity. Stress perceptions are also influenced by household resource ownership, local innovation and technological uses. Using the sustainable rural livelihood approach, a mixed method study is then used to better understand the actions taken by households to reduce their livelihood sensitivity to climatic stresses. Households were found to organize, transform and combine their capital assets for generating different livelihood portfolios. Using diverse combinations of assets, two strategies were observed: 1) extending external networks in order to create non-natural resource dependent livelihood opportunities; and 2) extending uses of available natural resources. Both of these strategies required external supports from government programmes or market mechanisms. Finally, a climate change policy analysis of Bangladesh, supported with key informant interviews, is presented to assess how different government policy interventions have supported local adaptation initiatives. The results reveal that despite recent advancements in climate change related policy making and institutional changes for supporting local adaptation actions in Bangladesh, plans and policies often fail to respond to local demands. More specifically, the existing climate change adaptation planning and policy processes tend to lack wider public participation and have inadequate coordination with natural resource management policies. This dissertation considers the diverse socio-economic and social-ecological contexts of climate vulnerability in rural Bangladesh. The results offer important research and policy insights to developing more a systematic understanding of climate vulnerability, and how local knowledge might be better integrated into national and international policy processes.

Dams are vital national assets that play a crucial role in water storage, hydroelectric power generation, and flood control. Globally, over 61,000 large dams have surpassed 50 years of service, and many show signs of deterioration. With over 300 dam failures recorded worldwide, the potential for catastrophic damage remains alarmingly high if these aging structures are not properly maintained and upgraded. Further, many of the existing dams were built upon outdated standards, and there is an increase in seismic hazards making it imperative to reevaluate their seismic performance to align with current safety standards. The need for improved dam safety measures is urgent, as dam owners, regulators, and policymakers grapple with the challenges of ensuring the structural integrity of aging dams in the face of growing risks. A key solution is shifting from traditional safety approaches to a modern, risk-based methodology, which addresses safety concerns more efficiently and economically. Various, global agencies have developed risk-based safety assessment guidelines; however, these often lack systematic implementation frameworks and sufficient reference studies, making them difficult for dam owners to adopt effectively. Furthermore, various uncertainties can impact the risk assessment and can complicate efforts to ensure dam safety. In this context, this research investigates uncertainties impacting seismic risk assessments for dams, including modeling choices, ground motion selection, aging, and material variability. Case studies of the Koyna Dam and Pine Flat Dam were used to evaluate these factors at each stage of performance evaluation: system response, fragility, and risk assessment. Key findings indicate that dam-foundation-reservoir (DFR) models incorporating acoustic elements exhibit less variability in system response, regardless of model complexity and solution procedure. Ground motion derived from the conditional mean spectrum (CMS) method yields better fragility estimates than the ASCE 7-16 standard, particularly for moderate to severe damage states. Additionally, aging and material variability significantly affect the dynamic characteristics of dams, with increased failure probabilities correlating with both age and return period. Based on these findings, the research proposes a comprehensive, systematic framework for risk-based seismic safety evaluation. This framework aligns with safety assessment objectives and ensures optimal use of computational resources.

Les biotechnologies constituent aujourd'hui un secteur d'activités dynamique offrant de nouvelles perspectives d'innovations. Ces connaissances, permettant d'allier deux entités jusqu'ici traitées séparément, la technique et le vivant, sont en proie de révolutionner notre rapport au monde à de nombreux égards. La présente étude a plus spécifiquement vocation à se pencher sur les innovations biologiques produites à partir d'éléments extraits du corps humain, tels que les cellules souches et les gènes. La biologie cellulaire et le génie génétique se sont imposés comme des secteurs phares des biotechnologies en raison des progrès significatifs qu'ils pourraient permettre pour le traitement de certaines maladies génétiques rares. Toutefois, la protection juridique devant être octroyée à ce type de créations suscite un flot de réactions souvent très partagées au sein de l'opinion publique. Si le brevet est reconnu comme l'outil de propriété industrielle privilégié pour protéger efficacement les inventions, son application au domaine du vivant, et qui plus est au corps humain, demeure plus délicate et controversée. L'inadéquation des critères de brevetabilité aux inventions biotechnologiques fait aujourd'hui obstacle à la prise en considération de ces nouvelles formes de créations par la propriété intellectuelle. Ce projet de recherche s'inscrit dans une perspective globale et transversale, visant à comprendre en quoi le domaine brevetable est influencé par une série de considérations éthiques et par la superposition d'intérêts économiques et sociaux divergents. Il s'agit ainsi de tenter de clarifier les délimitations de l'objet brevetable et de réfléchir à l'opportunité de nouvelles admissions dans le champ de la brevetabilité tout en maintenant certains garde-fous essentiels à la protection des droits fondamentaux individuels. Dès lors, cette étude s'intéresse aux outils et stratégies disponibles afin de renforcer la coopération entre les acteurs impliqués dans ce débat et d'assurer un meilleur équilibre entre les différents intérêts en présence.

Flooding, a major natural calamity, severely threatens communities and infrastructures in areas susceptible to floods. Consequently, implementing an Internet of Things (IoT)-based flood monitoring system becomes crucial. Existing flood monitoring systems lack a comprehensive and scalable IoT platform to collect real-time data from diverse sensors efficiently, visualize flood information, and provide accurate water level forecasts. This thesis proposes a complete system designed to address the challenges associated with efficient data collection and flood monitoring from diverse IoT sensors. Our proposition involves creating and deploying a centralized system known as HYDROSIGHT, which facilitates the real-time gathering, monitoring, and visualization of flooding-related sensor data. HYDROSIGHT system also provides a log monitoring feature for effective debugging and troubleshooting. The IoT environment for flood monitoring and prediction system was designed to promote sustainability and autonomy by preferring sensors with minimal footprints and compatibility with solar panels. The system architecture leverages a 4G network for seamless data transmission. To validate the practical applicability of the proposed design,HYDROSIGHT system was tested at two municipalities of Quebec, namely Terrebonne, and Lac-Supérieur. In addition, the platform was also deployed at the Ericsson facility in Montreal to test the 5G capabilities. The deployment in these locations allowed us to evaluate the performance and effectiveness of the HYDROSIGHT system in a real flood monitoring environment. In addition to implementing the IoT testbed, a preliminary machine learning tool was developed on water level forecasting. In this experiment, we opted for an online machine-learning approach, recognizing the significance of real-time updates and low computational resources of IoT devices. Leveraging the constantly updating data from HYDROSIGHT, we trained and tested our online machine-learning model, enhancing its forecasting capabilities. We conducted a comparative analysis to understand the advantages of online machine learning over traditional batch learning. This analysis involved examining the water level forecasting results obtained from both methods using time series data from the HYDROSIGHT system deployed at Lac-Supérieur in Quebec.

Les inondations sont une préoccupation majeure avec un potentiel de risques importants pour la sécurité publique ainsi qu'un impact économique et social négatif. Pour développer un modèle hydrodynamique permettant de cartographier et d'évaluer les risques d'inondation, un modèle d'élévation est un élément essentiel. La grande disponibilité de données de télédétection multisources facilite la création d'un modèle numérique d'élévation topo-bathymétrique (TBDEM). Cependant, il peut être très difficile de créer un modèle d'élévation à haute résolution homogène adapté à la cartographie des inondations en raison des divergences entre les données topographiques et bathymétriques causées par des changements temporels, des systèmes de référence horizontaux et verticaux différents, et des différences significatives en termes de résolution, incertitude et zone de couverture. Cette étude présente une méthodologie qui élargit les études précédentes axées sur la cartographie côtière à basse résolution en résolvant les différences spatiales et temporelles des jeux de données multisources tout en maintenant l'intégrité de la morphologie des berges et de l'environnement proche du rivage. Ceci est réalisé en appliquant une nouvelle méthodologie de fusion qui est mieux adaptée aux sources de données en jeu. Une méthode de moindre coût est appliquée aux données topographiques alors qu'une méthode de feathering est appliquée aux données bathymétriques. Pour ce qui est de la zone intermédiaire à l'interface de la terre et de l'eau, des transects sont utilisés pour interpoler entre les données manquantes afin de garantir l'intégrité du littoral. Enfin, une méthode de krigeage empirique bayésien appliqué à l'ensemble des données permet de produire une surface sans discontinuité accompagnée d'une surface d'erreur pour analyser l'incertitude en chaque point du modèle. Des données LiDAR aéroporté ainsi que des données de bathymétrie multifaisceau de la section supérieure du fleuve Saint-Laurent au Québec, Canada ont été combinées en utilisant la méthodologie proposée. Le TBDEM produit dans cette étude constitue une meilleure représentation que les modèles précédents et minimise l'erreur dans les données. La capacité de ce TBDEM à être plus performant que les modèles précédents dans les simulations hydrodynamiques sera testée dans des études futures en utilisant des événements de crue enregistrés précédemment.

Les instances responsables d’assurer la gestion des risques d’inondations reliés aux embâcles de glace sont toujours à la recherche d’outils visant à prévenir les risques et réduire les conséquences sur les populations et les infrastructures. Grâce à la modélisation de certains paramètres jouant un rôle dans la formation des embâcles de glace comme la prédisposition géomorphologique et les conditions hydrométéorologiques, la prévention de ceux-ci s’est grandement améliorée. Les modèles axés sur la force de mobilisation de la rivière et sa capacité à contraindre l’écoulement gagnerait en pertinence s’ils pouvaient inclure la résistance du couvert de glace. Les outils de télédétection sont une manière efficace de connaitre l’état du couvert de glace tant sur l’ensemble de la rivière qu'à différents endroits ciblés. Ceux-ci peuvent générer différents produits cartographiques utiles avant, pendant et après les événements. La présente thèse vise à intégrer le suivi du couvert de glace dans les méthodes de prévention des embâcles à l’aide d’outils provenant de la télédétection. Pour ce faire, quatre sous-objectifs ont été accomplis 1) créer une approche de suivi du couvert de glace à grande échelle en exploitant les données de télédétection optique, radar et acquises par drone, 2) développer une méthode de cartographie automatique du type de glace par estimation d’ensemble à partir d’imagerie radar, 3) concevoir un modèle de détection automatique des lieux à risque de débâcle en utilisant les connaissances de personnes expertes pour interpréter les cartes du type de glace et 4) intégrer les outils développés aux autres modèles conçus dans le cadre de DAVE (Dispositif d’alertes et de vigilance aux embâcles). Les contributions originales découlant de cette thèse touchent plusieurs aspects du suivi du couvert de glace. Elles incluent la démonstration de la pertinence des indicateurs de suivi de la glace par la télédétection, la conceptualisation d’une méthode de segmentation de la rivière en secteurs de production, transport et accumulation de la glace, l’élaboration d’un modèle de cartographie du type de glace par estimation d’ensemble plus performant et polyvalent que les classificateurs originaux, la construction d’une base de données de dégradation du couvert de glace à partir des connaissances de personnes expertes en cartographie de la glace et un modèle de classification de la dégradation du couvert de glace. Cette thèse se conclut par l’intégration conceptuelle à l’aide d’une analyse multicritères hiérarchique des différents outils développés au sein de DAVE. <br /><br /> The authorities responsible for ice jam flood risk management are always looking for tools to prevent harm and reduce consequences on populations and infrastructure. Ice jam prevention has been greatly improved by modelling certain parameters—such as geomorphic predispositions and hydrometeorological conditions—that are central to ice jam formation. These models focusing on the strength of the river current and its ability to constrain the flow would gain in relevance if they could include ice cover strength. Remote sensing tools are an effective way of knowing the state of the ice cover over the whole river and at different target locations. These can be used to generate different map products to include in monitoring before, during and after hazard events. This dissertation therefore aims to integrate ice cover monitoring into ice jam prevention methods using remote sensing tools. To do so, three main sub-objectives were accomplished: 1) to create a large-scale ice cover monitoring approach using remote sensing data such as optical, radar and drone images, 2) to develop a method for automatic mapping of ice type by ensemble estimation from radar imagery, 3) to design an automatic detection model for breakup risk locations using ice type maps and expert judgment and 4) to integrate the tools developed with other models created within the Dispositif d’alertes et de vigilance des embâcles de glace (DAVE). The original contribution from this work covers multiple aspects of ice cover monitoring. This dissertation demonstrates the relevance of direct indicators of ice monitoring by remote sensing, conceptualizes a method for river segmentation into areas of ice production, transport and accumulation, develops an ensemble-based estimation ice type mapping model more efficient and versatile than the original algorithms, constructs an ice cover degradation database derived from the knowledge of ice mapping experts, and proposes a classification model of ice cover degradation. This dissertation concludes with the conceptual integration by analytic hierarchy process of the different tools developed within DAVE.

The canalized southernmost section of Wonscotonach (the Don River) in Tkarón:to (Toronto), also known as The Narrows, is a highly disturbed urban natural landscape. Following the 1886 Don Improvement Project, the Keating Channel, and today the Port Lands Revitalization and Flood Protection Project, these Lands have been harnessed and developed through settler colonization to tame and control the once-winding river. This research-creation—in the form of a curated online exhibition and written thesis—presents a critical (re)reading of the notion of improvement, becoming allied to the pre-colonial landscape and the knowledge it carried. This exhibition and thesis develop the concept of the meander, inspired by the non-linear trajectory of the pre-canalized Don River, as a model for the curatorial. The curatorial process of improvement becomes a wall, and the river meanders still began before the global COVID-19 pandemic and, subsequently, was derailed in March 2020. The exhibition’s final form was unknowable throughout much of the curatorial process. Thus, following the meander as a research-creation technique, the curatorial process, exhibitionary structure, and content had to adapt through lingering uncertainty. This thesis, contributing to the theoretical and practical knowledge of research-creation, looks to intersections with the curatorial following the theoretical underpinnings of Erin Manning and Brian Massumi, Natalie Loveless and Stefanie Springgay and Sarah E. Truman. As a project untethered from institutional timelines and normative requirements to ‘know a project in advance,’ as well as the conventions of a physical exhibition, this research-creation manifested through process-led, creative and exploratory techniques (such as walking and drawing) and slowed pace allowed by the COVID-19 pandemic’s reframing of time. This research-creation exhibition and written thesis develop a responsive and resilient curatorial process deeply indebted to Land-based knowledge.

RÉSUMÉ : Pour atténuer les risques d'inondation au Québec mais aussi partout dans le monde, plusieurs organismes gouvernementaux et des organismes privés, qui ont dans leurs attributions la gestion des risques des catastrophes naturelles, continuent d'améliorer ou d'innover en matière d'outils qui peuvent les aider efficacement à la mitigation des risques d'inondation et aider la société à mieux s'adapter aux changements climatiques, ce qui implique des nouvelles technologies pour la conception de ces outils. Après les inondations de 2017, le ministère de l'Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques (MELCC) du gouvernement du Québec, en collaboration avec d'autres ministères et organismes et soutenu par Ouranos, a initié le projet INFO-Crue qui vise d'une part, à revoir la cartographie des zones inondables et, d'autre part, à mieux outiller les communautés et les décideurs en leur fournissant une cartographie prévisionnelle des crues de rivières. De ce fait, l'objectif de notre travail de recherche est d'analyser de façon empirique les facteurs qui influencent l'adoption d'un outil prévisionnel des crues. La revue de la littérature couvre les inondations et les prévisions, les théories et les modèles d'acceptation de la technologie de l'information (TI). Pour atteindre l'objectif de recherche, le modèle développé s'est appuyé particulièrement sur le modèle qui combine les concepts de la théorie unifiée de l'acceptation et l'utilisation des technologies (UTAUT) de Venkatesh et al. (2003) avec le concept « risque d'utilisation ». Afin de répondre à notre objectif de recherche, nous avons utilisé une méthodologie de recherche quantitative hypothético-déductive. Une collecte de données à l'aide d'une enquête par questionnaire électronique a été réalisée auprès de 106 citoyens qui habitent dans des zones inondables. L'analyse des résultats concorde avec la littérature. La nouvelle variable « risque d'utilisation » rajoutée au modèle UTAUT a engendré trois variables qui sont : « risque psychologique d'utilisation »; « risque de performance de l'outil » et « perte de confiance ». Pour expliquer l'adoption d'un nouvel outil prévisionnel des crues, notre analyse a révélé que cinq variables à savoir : « l'utilité perçue », « la facilité d'utilisation », « l'influence sociale », « la perte de confiance » et « le risque psychologique » sont des facteurs significatifs pour l'adoption du nouvel outil prévisionnel. -- Mot(s) clé(s) en français : Inondation, Prévision, UTAUT, Adoption de la technologie, Risque perçu d'utilisation, facteurs d'adoption, Projet INFO-Crue. -- ABSTRACT : With the aim of mitigating flood risks in Canada as well as around the world, several government and private organizations that have the responsibility of natural hazard risk management, are working hard to improve or innovate the flood mitigation approaches that can help effectively reducing flood risks and helping people adapt to climate change. After the 2017 floods, the Ministry of the Environment and the Fight against Climate Change (MELCC) of the Government of Quebec, in collaboration with other ministries and organizations and supported by Ouranos, initiated the INFO-Crue project which aims at reviewing the mapping of flood zones and providing communities and decision-makers with a forecast mapping of river floods. In this context, the objective of our research is to analyze the factors that may influence the adoption of a flood forecasting tool. The literature review covers flood and forecasting, as well as technology adoption models. To achieve the goal of our research, a conceptual model that combines the Unified Theory of Acceptance and Use of Technology (UTAUT) of Venkatesh et al. (2003) with perceived use risk was developed. A quantitative research methodology was used, and we administrate an electronic questionnaire survey to 106 citizens who live in flood-plain area. Results analysis show that the new variable "perceived use risk" introduced in the model generates three variables which are: "psychological risk"; "performance risk" and "loss of trust". To explain the adoption of a new forecasting tool, our analysis revealed that the following five variables which are "perceived usefulness", "ease of use­", "social influence", "loss of trust" and "psychological risk" are significant factors for the adoption of the new forecasting tool. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Flood, Forecasting, UTAUT, Technology Adoption, perceived Risk of use, adoption factors, INFO-Crue project.

RÉSUMÉ: Les inondations sont considérées comme l'un des risques naturels les plus dangereux au monde. Plusieurs pays souffrent des conséquences néfastes des inondations. Au Canada, plusieurs provinces ont subi des inondations au cours du siècle dernier. Par exemple, la rivière des Outaouais a été confrontée à de nombreuses inondations comme en 2017 et 2019. La population d'Ottawa continue à augmenter d'une année à l'autre. C'est pour cela que nous avons choisi la rivière des Outaouais comme étude de cas pour ce projet dans le but de protéger la société contre les risques causés par les inondations. Les pays adoptent plusieurs solutions basées sur différentes méthodes afin de minimiser les dommages causés par les crues. La plupart des scientifiques s'accordent que la prévision des crues est la meilleure façon de limiter les conséquences des crues. Les systèmes de prévision des crues sont indispensables dans les pays fréquemment confrontés à des crues. Ils visent à fournir un long délai d'exécution et à fournir aux autorités et aux décideurs des informations suffisantes. Par conséquent, ils auront suffisamment de temps pour prendre les mesures adéquates pour sauver la vie de la population et limiter les catastrophes économiques dues aux inondations. ABSTRACT: Floods are one of the most catastrophic natural disasters in Canada and around the world that can cause loss of life and damages to properties and infrastructures. Saguenay flood (1996), southern Alberta flood (2013), and Ottawa floods (2017, 2019), are a few examples of Canadian floods with tremendous socio-economic impacts. Flood forecasting and predicting its characteristics (e.g., its magnitude and extent) has an important role in preventing and mitigating such flood impacts. Particularly, short-term forecasting is crucial for early warning systems and emergency response to floods. This study presents an integrated hydraulic-hydrologic modeling system for flood prediction. In this system, the Delft3D two-dimensional hydrodynamic model is connected with a HEC-HMS hydrologic model and observation data to provide an automatic exchange of data and results. Delft3D and HEC-HMS were chosen for this study because they were widely used and provided good results. In addition, they were applied in several flood forecasting studies. The prediction weather data and watershed characteristics provide input to the hydrological model to predict streamflow conditions, which are then automatically fed into the hydrodynamic model. The hydrodynamic model simulates the flood characteristics such as water level, 2D depth-averaged velocity field, and flood extent.

The frequency of natural hazards in North America presents a significant challenge for governments due to the damages they cause to the environment. Floods are severe hydrological events caused by spring snowmelt and intense rain events. Flood frequency analysis studies assumes that annual peak flood events occur independently of each other, regardless of previous flood events (the independent and identically distributed (i.i.d.) assumption); however, annual peak flood records do not necessarily appear to conform to these assumptions. First, a review of the literature on the effects of climate oscillations on extreme flood frequencies in North America was conducted. Then, the i.i.d. flood event assumption was tested by analyzing the effects of the Pacific Decadal Oscillation (PDO) and Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) on 250 naturally flowing annual peak flood records across the entire western North American margin. Using permutation tests on quantile-quantile (Q-Q) plots, I found that the PDO has a greater impact on the magnitude of annual peak floods than the AMO. Twenty-six percent of the gauges have higher magnitude annual floods depending on the PDO phase (p < 0.1). Next, I examined the interacting effects of the PDO and AMO on the frequencies of lower and upper quartile annual peak floods, and found reinforcing, cancelling, and dominating effects. Since these two climate oscillations have significant effects on the magnitudes of annual peak floods, the i.i.d. assumption does not hold. Hence, I advocate for the need to re-assess baseline flood analysis in western North America to improve flood management strategies.

Flood maps are the final products of dam failure studies that are required by dam safety regulations. A flood limit, which represents the maximum envelope reached by flood waves, is generally the result of a dam-break scenario simulated by a hydraulic numerical model. However, the numerical model uses only a limited portion of the available bathymetry data to build the terrain model (2D mesh plus topometric elevation at nodes). This is particularly so in the cases where the topo-metric data recorded by LIDAR was estimated in several million points. But the hydraulic numerical models rarely exceed hundreds of thousands of nodes, in particular because of the computer constraints and time associated with the operation of these models. The production of the final flood map requires consistency between projected levels and elevations for all points on the map. This verification may be tedious for a large area with several small secondary valleys of tributary streams that have not been represented by the original hydraulic numerical model. The aim of this work is to propose an automatic remeshing strategy that uses the envelope of the maximum dimensions reached by the original model coupled with the available LIDAR data to produce an improved mesh that can accurately capture the wet/dry fronts and the overflows of the secondary valleys. This model helps us to consider the maximum slope inside each element on the basis of the real data, instead of controlling the slope for not having negative depth or controlling the velocity. The algorithm is based on a few basic steps: (i) find the elements cut by the envelope of the wet/dry interfaces; (ii) project the topometric points onto the cut elements; (iii) if these points are very close to the interface, if they are found in a valley, or if they are more elevated than the corresponding cut elements, then these points will be added to the previous nodes and included in a subsequent triangulation step; and (iv) re-run the simulation on the new mesh. This algorithm has been implemented and validated in the study of a dambreak flow with a complex river topography on the Eastmain River and the Romaine-Puyjalon River.

L'évaluation de l'impact hydrologique du changement climatique présente une importance particulière pour les bassins de la Méditerranée, qui sont très sensibles aux événements hydrologiques extrêmes. La modélisation des systèmes aussi complexes pour la gestion des ressources hydriques est un défi difficile. L'objectif global de ce travail est de contribuer au développement d'une approche de modélisation qui permette l'évaluation de l'impact hydrologique du changement climatique sur deux bassins de la Méditerranée, localisés en Sardaigne. Cette contribution se concentre sur deux sujets principaux: comprendre comment la représentation physique des modèles hydrologiques grave sur l'évaluation de l'impact hydrologique dû au changement climatique sur un bassin avec un climat semi-aride, le Rio Mannu di San Sperate, et montrer comme le modélisation avancé puisse aider à définir de mesures de modération et adaptation dans un système complexe enclin aux événements hydrique extrêmes, le Flumendosa, en conditions de changement climatique. Pour atteindre cet objectif le travail s'articule en trois phases. Les effets du changement climatique sur le bassin du Rio Mannu sont évalués à travers la comparaison des résultats de cinq modèles hydrologiques, CATchment HYdrology (CATHY), Soil and Water Assessment Tool (SWAT), TIN-based Real time Integrated Basin Simulator (tRIBS), TOPographic Kinematic APproximation and Integration-eXtended (TOPKAPI-X), and Water flow and balance Simulation Model (WASIM), en utilisant comme forçage atmosphérique les données de quatre combinaisons de modèles climatiques globaux (GCM) et régionaux (RCM). Pour évaluer les incertitudes une métrique récemment proposée est utilisée: les résultats des modèles sont comparés pendant une période de référence et future, en utilisant l'index de corrélation de Pearson et le bias de Duveiller. Même si certaines différences existent, en tout les modèles hydrologiques montrent une bonne concordance, et ils répondent de manière semblable à la réduction de la précipitation et à l'accroissement de la température prévu par les modèles climatiques. Il s'attend donc que le bassin dans l'avenir sera sujet à une réduction de la disponibilité de ressource hydrique, avec des conséquences négatives en particulier pour le secteur agricole. Une comparaison détaillée des réponses obtenue sur le même bassin avec trois modèles hydrologique à base physique avec différent degré pour ce qui concerne la représentation des procès physiques et des caractéristiques du terrain, CATHY, TOPKAPI-X, tRIBS, est effectué dans le but de tester la transférabilité des paramètres entre les trois modèles hydrologiques, avec une attention particulière sur les difficultés relevées dans les périodes de calibrage et validation. Tandis que les trois modèles ont répondu de manière semblable pendant la période de calibrage, significatives différences ont été relevées pendant la période de validation, caractérisé par un climat très sec, avec le modèle CATHY, qu'il a produit un très bas décharge. En conséquence, pour obtenir résultats satisfaisants avec le modèle CATHY, l’hypothèse de croûtage de sol a été assumée, sur la base dont la couche premier de sol a été modelée avec une conductibilité hydraulique saturée réduite. Finalement le modèle TOPKAPI-X est implémenté sur un des principaux bassins de la Sardaigne, d'importance stratégique pour le système hydrique de la région, le Flumendosa, afin d’évaluer les effets du changement climatique à plus grande échelle. Le modèle répond avec une diminution des valeurs de décharge, contenu hydrique et évapotranspiration réelle à la réduction de la précipitation et accroissement des températures prévus par les modèles climatiques en donnant aussi support à une scène future de carence de la ressource hydrique dans ce bassin de la zone Méditerranéenne.<br /><br />Assessing the hydrologic impacts of climate change is of great importance in the Mediterranean basins, which are heavily sensitive to climate variability, with significant impacts on water resources and hydrologic extremes. Modeling such complex systems to manage water resources and predict hydrologic extremes is a difficult task. The overall aim of the work described in this thesis is to bring a contribution in developing a modeling approach that allows evaluation of local hydrologic impacts of climate changes in two Mediterranean catchments located in Sardinia. This contribution revolves around two main themes: understanding how physical representation of hydrologic models can affect hydrologic impact assessment under climate change on a semi-arid basin of the Mediterranean region, the Rio Mannu catchment, and demonstrating how advanced hydrologic modeling can help in defining adaptation measures in a complex water system, the Flumendosa basin, under climate change. The work to achieve the general objective is elaborated into three stages. The effects of climate change are evaluated on the Rio Mannu catchment through comparison of the results from five hydrologic models, CATchment HYdrology (CATHY), Soil and Water Assessment Tool (SWAT), TIN-based Real time Integrated Basin Simulator (tRIBS), TOPographic Kinematic APproximation and Integration-eXtended (TOPKAPI-X), and Water flow and balance Simulation Model (WASIM), and using as atmospheric input outputs of four climate global (GCM) and regional (RCM) model combinations. In order to evaluate uncertainties, a recently proposed metric is used: climate and hydrologic models results are compared in terms of agreement with each other in reference and future periods using Pearson correlation values and Duveiller bias. Notwithstanding some differences, overall the five hydrologic models show good agreement, and they respond similarly to the reduced precipitation and increased temperatures predicted by the climate models, lending strong support to a future scenario of increased water shortages for this region of the Mediterranean, with negative consequences especially for the agricultural sector. Detailed comparison of the responses obtained with three physically based hydrologic models, but to varying degrees as regards physical processes and terrain features representation – CATHY, tRIBS, and TOPKAPI-X – on the same catchment is carried out, with the aim to test the transferability of parameters between the three hydrologic models, focusing in particular on the calibration and validation difficulties. While the three hydrologic models responded similarly during the calibration year, significant differences were found for the drier validation period for the CATHY model, which produced very low streamflow. To obtain satisfactory results for the CATHY model, an hypothesis of soil crusting was assumed and the first soil layer was modeled with a lower saturated hydraulic conductivity. Finally, the TOPKAPI-X model is applied on a large Sardinian basin prone to extreme flood events, the Flumendosa basin, to assess the hydrologic impact of climate change at much larger scale. The model responds with decreasing value of discharge, soil water content, and actual evapotranspiration to the reduced precipitation and increased temperature predicted by the climate models, lending strong support to a future scenario of increased water shortages also in this basin of the Mediterranean region.<br /><br />La valutazione dell’impatto idrologico del cambiamento climatico riveste particolare importanza per i bacini del Mediterraneo, sensibili ad eventi idrologici estremi. Modellizzare dei sistemi così complessi per la gestione della risorse idriche è una sfida difficile. L’obiettivo globale di questo lavoro è contribuire allo sviluppo di un approccio modellistico che consenta la valutazione dell’impatto idrologico del cambiamento climatico su due bacini del Mediterraneo localizzati in Sardegna. Questo contributo si focalizza su due temi principali: capire come la rappresentazione fisica dei modelli idrologici incida sulla valutazione dell’impatto idrologico dovuto al cambiamento climatico su un bacino con un clima semi-arido, il Rio Mannu di San Sperate, e dimostrare come la modellizzazione avanzata possa aiutare nel definire misure di adattamento in un sistema idrico complesso incline ad eventi estremi, il Flumendosa, in condizioni di cambiamento climatico. Per raggiungere tale obiettivo il lavoro si articola in tre fasi. Gli effetti del cambiamento climatico sul bacino del Rio Mannu sono stati valutati attraverso il confronto dei risultati di cinque modelli idrologici, CATchment HYdrology (CATHY), Soil and Water Assessment Tool (SWAT), TIN-based Real time Integrated Basin Simulator (tRIBS), TOPographic Kinematic APproximation and Integration-eXtended (TOPKAPI-X), and Water flow and balance Simulation Model (WASIM), utilizzando come forzante atmosferica gli output di quattro combinazioni di modelli climatici globali (GCM) e regionali (RCM). Per valutare le incertezze è stata utilizzata una metrica recentemente proposta: i risultati dei modelli sono stati comparati durante un periodo di riferimento e futuro, utilizzando l’indice di correlazione di Pearson e il bias di Duveiller. Pur con qualche differenza, complessivamente i modelli idrologici mostrano una buona concordanza tra loro, e rispondono in maniera simile alla riduzione della precipitazione e all’incremento della temperatura previsti dai modelli climatici. Ci si aspetta pertanto che il bacino nel futuro sarà soggetto ad una riduzione della disponibilità di risorsa idrica, con conseguenze negative in particolare per il settore agricolo. È stato effettuato un confronto dettagliato delle risposte ottenute sullo stesso bacino con tre modelli idrologici fisicamente basati di diverso grado per quanto riguarda la rappresentazione dei processi fisici e delle caratteristiche del terreno, CATHY, TOPKAPI-X, tRIBS, con lo scopo di testare la trasferibilità dei parametri tra i tre modelli idrologici, concentrandosi sulle difficoltà riscontrate nei periodi di calibrazione e validazione. Mentre i tre modelli hanno risposto in maniera simile durante il periodo di calibrazione, sono state riscontrate significative differenze durante il periodo di validazione, caratterizzato da un clima molto secco, con il modello CATHY, che ha prodotto una portata molto bassa. Pertanto, per ottenere risultati soddisfacenti con il modello CATHY, è stata assunta l’ipotesi di soil crusting, sulla base della quale il primo strato di suolo è stato modellato con una ridotta conducibilità idraulica satura. Infine il modello TOPKAPI-X è stato implementato su uno dei principali bacini sardi di importanza strategica per il sistema idrico della regione, il Flumendosa, per valutare gli effetti del cambiamento climatico a scala maggiore. Il modello risponde con una diminuzione dei valori di portata, contenuto idrico ed evapotraspirazione reale alla riduzione della precipitazione ed incremento della temperature previsto dai modelli climatici, dando supporto ad uno scenario futuro di carenza della risorsa idrica anche in questo bacino dell’area Mediterranea.

En étant nécessaire à la vie humaine, l’eau est également nécessaire au fonctionnement des économies. Pour qu’elle soit utile à la société, l’eau doit être disponible en quantité et en qualité adéquates, caractéristiques qui ne sont pas toujours disponibles dans la nature. Ainsi, trop ou pas assez d’eau entraînerait des inondations ou des sécheresses, tandis qu’une eau contaminée pourrait être le vecteur de maladies contagieuses mortelles, chacun de ces fléaux entraînant des dommages économiques. Cette thèse est organisée en trois chapitres traitant de thématiques liées aux investissements dans les infrastructures d'eau et à la gestion des maladies infectieuses. Le premier chapitre étudie comment les améliorations apportées aux réseaux d’égouts atténuent les impacts économiques des inondations provoquées par la pluie. Pour estimer l’effet causal de ces investissements, ce chapitre utilise un resserrement inattendu du financement fédéral américain en faveur des réseaux d’égouts, à la suite de l’amendement de 1977 à la politique du Clean Water Act. L'analyse empirique combine un nouveau modèle statistique du risque d'inondation induit par la pluie avec des données horaires sur la quantité de pluie dans les comtés et les codes postaux américains de 1996 à 2019. Les résultats indiquent que des investissements plus importants dans les réseaux d'égouts ont conduit à des réductions substantielles des inondations locales. Les bénéfices de ces investissements sont supérieurs à leurs coûts, économisant près de 23 millions de dollars pour le comté moyen. Dans l’ensemble, ces résultats mettent en évidence à quel point la détérioration des infrastructures publiques peut exacerber les conséquences du changement climatique. Le deuxième chapitre étudie le rôle des épidémies locales de maladies infectieuses dans l'adoption de systèmes centralisés d'approvisionnement en eau dans les premières villes américaines au XIXe siècle. À l’aide d’un vaste corpus de données provenant d’archives de journaux de 1800 à 1896, je construis un nouvel indicateur capturant les épidémies de fièvre jaune, de choléra et de fièvre typhoïde au niveau des villes. Les résultats indiquent que (1) les épidémies locales de maladies infectieuses ont entraîné une augmentation du nombre systèmes d'approvisionnement en eau construits par les villes et ont joué un rôle crucial dans la décision de construire environ 12% des ouvrages d’adduction d’eau en activité en 1897 ; (2) La réponse des villes aux épidémies de typhoïde a été deux fois plus importante que celle qui a suivi les épidémies de fièvre jaune ou de choléra. (3) Les entreprises privées ont construit davantage de nouveaux réseaux d’adduction d’eau après les épidémies locales, tandis que les gouvernements locaux ont procédé à davantage d’améliorations et d’extensions des réseaux d’adduction d’eau publics existants ainsi qu’à des rachats de sociétés d’eau privées. Enfin, je discute du rôle potentiel de divers facteurs sociodémographiques. Le troisième chapitre étudie les coûts économiques associés à une stratégie utilisée pour gérer les épidémies locales lors de la récente pandémie de COVID-19. Dans ce travail en collaboration avec Jian Tang, nous quantifions les effets de la politique ‘zéro-COVID’ à l’aide d’un riche ensemble de données sur les confinements au niveau des comtés en Chine et d’images satellitaires nocturnes. Nous constatons que des confinements plus stricts induisent une forte baisse de la luminosité nocturne au cours de la même période, suivie d’une lente reprise, qui se produit au moins deux trimestres après l’instauration du confinement. En l’absence de contagions généralisées, un comté soumis à un confinement total subit en moyenne une perte de PIB de 6% par rapport aux comtés non confinés. L’effet négatif est particulièrement persistant dans les zones où la production est dominée par les services, par opposition aux zones où la production est dominée par l’activité manufacturière. L’on note par ailleurs la présence d’effets d’entraînement à proximité des comtés confinés, mais ces effets sont de courte durée.

Les débits reconstitués pour le nord-ouest du Québec démontrent une augmentation de la fréquence et de la magnitude des crues printanières en lien avec l’augmentation des précipitations nivales depuis le début du XIXe siècle. Autour du lac Duparquet, une migration des peuplements de frêne noir (Fraxinus nigra Marsh.) vers l’intérieur des terres en réponse à ces changements a été rapportée. Pour anticiper la réponse des frênaies noires du lac Duparquet face aux changements climatiques et hydrologiques à venir, cette étude décrit les conditions favorisant la présence de F. nigra et la structuration des peuplements en lien avec la dynamique des crues printanières depuis le début du XXe siècle. L’étude se structure autour des objectifs suivants : i) déterminer la composition et l’organisation des communautés végétales associées à F. nigra le long du gradient d’élévation; ii) déterminer les facteurs limitant l’expansion des frênaies noires dans les basses et hautes plaines alluviales; et iii) déterminer les fréquences d’occurrence des crues printanières le long du gradient d’élévation des plaines alluviales et identifier les fréquences de retour des crues printanières associées à chaque groupement floristique. Vingt-quatre frênaies noires du lac Duparquet et de ses affluents ont été échantillonnées durant l’été 2022 en utilisant un échantillonnage par stratification verticale de la végétation le long de transects perpendiculaires à la rive, avec mesure de variables environnementales et écologiques. Une analyse par regroupement hiérarchique associée à une analyse d’espèces indicatrices a permis d’identifier des communautés végétales associées aux frênaies noires et notamment trois communautés distribuées le long des gradients d’élévation et de distance à la rive depuis la plaine alluviale basse (communauté i) frênaie à Onoclea sensibilis L.), moyenne (communauté ii) frênaie à Rhamnus alnifiolia L’Her.), et haute (communauté iii) frênaie à Athyrium filix-feminina (Linn.) Roth). Les structures de diamètre révèlent que les zones des basses et hautes plaines alluviales sont moins denses en F. nigra et composées d’arbres plus jeunes. Les analyses des cernes de crues montrent une diminution significative de la fréquence d’occurrence des crues printanières de faible et forte intensité entre les groupements floristiques depuis les basses vers les hautes plaines inondables. Les fréquences moyennes d’occurrences des crues le long du gradient d’élévation participent donc à expliquer la structure des frênaies noires du lac Duparquet. Cette recherche fournit des paramètres écologiques de base, essentiels pour maintenir un équilibre dynamique dans les frênaies noires, notamment en cas de modifications des débits des cours d'eau, comme celles induites par des aménagements hydroélectriques ou de futurs changements climatiques.

Abstract: Accurate spring flow forecasts, primarily driven by snow accumulation and melt processes, are essential for decision-makers aiming to optimize hydro-electricity production and mitigate potential flood damages in snow-dominated regions. By integrating snowpack data from diverse sources (in-situ, remote sensing, and reanalysis) with modeled snow-related state variables through Data Assimilation (DA), there is the potential to leverage both modeling and observations for more accurate estimation of the resulting spring flow. However, challenges such as the lack of sufficient snow station networks and issues with optical and microwave sensors to provide Snow Water Equivalent (SWE) can hinder progress, particularly in regions with heterogeneous snowpack characteristics. Overcoming these challenges is crucial to realizing the full potential of snow DA in advancing spring flow forecasts. This thesis aims to optimize spring flow forecasting effectiveness using snow DA, where snow-related observations are incorporated into hydrological models. It investigates the best hydrological model structure (a lumped model: HSAMI, and a distributed model: HYDROTEL) for leveraging distributed SWE data provided by SNODAS (SNOw Data Assimilation System) dataset, which serves as the observation. This DA framework is applied on a large, heterogeneous northern Québec watershed (Outardes 4). It does so by updating SWE model states of HYDROTEL and HSAMI using the Ensemble Kalman Filter (EnKF) DA method. The simulated spring flow are then compared to observed spring flow data. Another scope of the thesis is to compare two reanalysis products with varying spatial resolutions and SWE representations (SNODAS and ERA5-Land) for improving 1-day spring flow forecasts in HYDROTEL over a smaller southern Québec watershed (Au Saumon). Finally, the thesis assesses the forecasting skill of the optimal model-observation combination over an extended 30-day forecast horizon using various probabilistic and deterministic metrics. The forecasting skills are evaluated in terms of SWE estimations during the snowpack accumulation and melt periods, and their impacts on spring flow. Among the two hydrological models considered (i.e., HYDROTEL and HSAMI), HYDROTEL proves to be a better candidate to unlock the full potential of distributed SNODAS SWE dataset through DA over a large watershed with spatially variable SWE. This is seen by improved 1-day spring flow forecasts metrics over many years (2014-2017). From the observation source point of view, SNODAS DA results in a more consistent 1-day spring flow forecasts compared to ERA5-Land over Au Saumon. However, the improvements in 1-day spring flow forecasts induced by SNODAS DA are comparatively modest over Au Saumon compared to Outardes 4, with NSE changing from 0.44 to 0.45, 0.31 to 0.34, and 0.59 to 0.61 for the 2014-2017 time period. This could be rooted in alignments between the physiographic characteristics of the watershed and the frequency of DA updates. The results obtained from the first two chapters of the thesis provide a snow DA framework with the capability to improve short-term and mid-term SWE forecasts with varying influence over the forecast horizon given the snowpack period considered (i.e., formation and ablation). The improved SWE estimations lead to increased accuracy and better uncertainty representations, as measured by Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE), Relative Bias (RB), and Continuous Ranked Probability Score (CRPS), in spring flow forecasts for the Outardes 4 watershed over the study period (2014-2017).