Investigation of an Arctic hypertidal estuary under summer and winter conditions : cryo-hydrodynamic and hydrokinetic implications - Mohammadian, Abdolvahid (2021)
La modélisation numérique des estuaires hypertidaux intéresse particulièrement les ingénieurs impliqués dans la navigation maritime et le développement de projets d'énergie marémotrice. Au Québec (Canada), la majorité de ces estuaires à marée extrême sont situés dans des régions isolée de l'Arctique canadien et sont souvent des lieux de résidence des communautés autochtones du Nord canadien. La présente thèse vise à mieux comprendre les processus se manifestent dans ces environnements, avec une emphase particulière sur l'importance (1) de la forte dominance des marées, (2) de l'extrême variabilité bathymétrique et (3) de l'immense forçage climatique. La thèse tente de démontrer comment les modèles numériques peuvent être utilisés pour traiter ces particularités et peuvent être la meilleure méthode disponible pour étudier leurs effets dans des environnements éloignés peu étudies. Premièrement, dans le but d'évaluer le potentiel de courant de marée en eau libre (sans glace) de l'estuaire hypertidal de la rivière Koksoak (KRE), nous avons modélisé le débit de marée en utilisant un model numérique hydrodynamique réputé (Delft3D). Différents aspects de l'hydrodynamique côtière ont été étudiés grâce à la modélisation numérique 1D2D-3D. La variabilité spatio-temporelle de la densité de puissance hydrocinétique disponible a ensuite été quantifiée. Les résultats ont révélé l'énorme potentiel (1000 MW) d'énergie marémotrice présente à plusieurs endroits le long de l'estuaire, ce qui nécessite des études numériques plus approfondies. En mettant davantage l'accent sur la modélisation numérique du site, par exemple la publication d'un Atlas des courants de marée pour aider à la navigation maritime dans le KRE, nous avons constaté que certains problèmes de modélisation des estuaires n'étaient pas abordés. Compte tenu des conditions limites précises et des mesures in situ recueillies au cours de l'hiver 2017-2018, nous avons constaté que les meilleurs résultats pour l'étalonnage du modèle (niveau d'eau) en utilisant les paramètres/options disponibles conduisaient encore à certains ordres d'imprécision. sur les conditions aux limites de formse qualité (campagnes 2017-2018) qui ont effectivement amélioré les résultats numériques, nous avons constaté que les meilleurs résultats pour l'étalonnage du modèle (niveau d'eau) en utilisant les paramètres/options disponibles étaient encore associés à certains ordres d'imprécision. Par conséquent, l'objectif du deuxième travail était d'améliorer l'efficacité de la modélisation hydrodynamique pour les environnements de marée peu profonde. Nous avons introduit quelques hypothèses décrivant pourquoi les modèles de turbulence et de rugosité disponibles ne sont pas bien adaptés à la modélisation des estuaires avec de fortes variabilités spatiales et temporelles des profondeurs de marée. En conséquence (i) un modèle de turbulence k-ε étendu pour la paramétrisation adaptative de la viscosité turbulente en fonction de la profondeur, et une approche basée sur la direction de l'écoulement pour la paramétrisation de la rugosité du lit ont été développés, incorporés dans le modèle hydrodynamique employé (Delft3D). Le modèle modifié a montré une amélioration constante des prévisions du modèle dans les stations de champ proche et de champ lointain, par rapport aux schémas de paramétrage classiques. Enfin, un aspect manquant et mal compris des estuaires de latitude nordique est l'immense impact de l'hiver sur le flux des marées. Situé à la latitude 58°, le KRE subit l'effet intensif du climat arctique pendant la majeure partie de l'année, ce qui entraîne la formation de glace estuarienne rapide sur une grande partie de sa longueur. Plus précisément, et ce qui est le plus pertinent pour cette recherche, il est important de savoir comment le long hiver affecte les potentiels hydrocinétiques des estuaires des régions froides. Ainsi, la surfusion entraîne la formation de frasil et de glace de fond qui peuvent adhérer aux pales des turbines et provoquer leur dysfonctionnement. Dans les estuaires, la surfusion a une nature transitoire complexe car le point de congélation de l'eau salée est une fonction de la salinité et de la profondeur qui est changée par les marées au cours des cycles de marée. En raison du manque de données de terrain en hiver, nous avons collecté des paramètres hydrodynamiques en utilisant de nouvelles campagne de mesures en hiver 2018. Les observations ont montré que le risque de surfusion diminue à l'intérieur de l'estuaire, car en l'absence de débit fluvial, la salinité peut s'infiltrer beaucoup plus loin dans le fleuve. À l'intérieur, une modulation apparente de ∆T (la différence entre la température de l'eau et la température de congélation de l'eau), dépendant de la marée, a été observée avec une augmentation de la température pendant des marées montantes. Cette augmentation retarderait la surfusion, ce qui est un avantage majeur pour turbines. En réglant le module Delft3D-Ice, différents scénarios ont été définis pour l'étendue et l'épaisseur de la couvert de glace, et leurs réponses hydrodynamiques ont été analysées. Il a été démontré que la glace a des impacts complexes et non uniformes sur les caractéristiques hydrodynamiques de la KRE. Surtout, le débit des prismes de marée, qui est la principale source d'élan, peut être modifiée de manière démonstrative par la couverture de glace et la glace de marée plate. Les résultats suggèrent que les zones énergétiques sont légèrement affectées par la glace pendant la plus grande partie de l'hiver. Pendant l'hiver de pointe seulement, la glace pourrait considérablement diminuer densité moyenne de puissance des courants (par exemple, la puissance moyenne est égale ou supérieure à 7 kW m-2). Ces implications cryohydrodynamiques indiquent que l'hiver arctique n'est pas un obstacle à la production d'électricité dans le fleuve Koksoak, et l'énergie marémotrice serait un avantage annuel pour Kuujjuaq

Évaluation de l'incertitude liée à la modélisation hydraulique au sein d'un système de prévision d'ensemble des niveaux d'eau - Bessar, Mohammed Amine (2021)
Les inondations présentent une grande menace à la sécurité humaine et matérielle. Les effets associés à ces phénomènes naturels risquent d'augmenter encore plus avec les tendances liées aux changements climatiques. Il est donc important de disposer d'outils de prévision et de prévention des crues fiables afin de mitiger les conséquences dévastatrices reliées. La mise en œuvre de ces outils implique des processus physiques assez complexes et nécessite beaucoup de données avec toute l'incertitude associée. Dans cette thèse, on explore les différentes sources d'incertitudes liée à la détermination des niveaux d'eau en rivières principalement dans un contexte de prévision où l'incertitude liée aux données de forçage est très importante. Les analyses conduites sont appliquées à la rivière Chaudière au Québec. En premier lieu, nous avons exploré les différentes sources paramétriques d'incertitude associées à la modélisation hydraulique dans un contexte de simulation avec un accent sur l'amélioration de la calibration du modèle hydraulique. Par la suite, dans un contexte de prévision opérationnel, on a évalué la propagation des sources d'incertitude de la prévision atmosphérique au modèle de rivière en passant par les prévisions hydrologiques avec des techniques probabilistes d'ensemble. La quantification de l'incertitude a montré que les données de forçage sont celles qui contribuent le plus à la description de l'incertitude dans la détermination des niveaux d'eau. L'incertitude paramétrique, dans un contexte de prévision, est quant à elle négligeable. Le recours à des prévisions d'ensemble a permis de produire une prévision de niveau d'eau assez fiable et a montré que celle-ci est fortement liée à la qualité des données qui proviennent de la chaine de prévision hydrométéorologique à l'amont du système de prévision proposé.

Can Cyanobacterial Diversity in the Source Predict the Diversity in Sludge and the Risk of Toxin Release in a Drinking Water Treatment Plant? - Jalili, Farhad; Trigui, Hana; Guerra Maldonado, Juan Francisco; Dorner, Sarah; Zamyadi, Arash; Shapiro, B. Jesse; Terrat, Yves; Fortin, Nathalie; Sauvé, Sébastien; Prévost, Michèle (Toxins, 2021)
Conventional processes (coagulation, flocculation, sedimentation, and filtration) are widely used in drinking water treatment plants and are considered a good treatment strategy to eliminate cyanobacterial cells and cell-bound cyanotoxins. The diversity of cyanobacteria was investigated using taxonomic cell counts and shotgun metagenomics over two seasons in a drinking water treatment plant before, during, and after the bloom. Changes in the community structure over time at the phylum, genus, and species levels were monitored in samples retrieved from raw water (RW), sludge in the holding tank (ST), and sludge supernatant (SST). Aphanothece clathrata brevis, Microcystis aeruginosa, Dolichospermum spiroides, and Chroococcus minimus were predominant species detected in RW by taxonomic cell counts. Shotgun metagenomics revealed that Proteobacteria was the predominant phylum in RW before and after the cyanobacterial bloom. Taxonomic cell counts and shotgun metagenomic showed that the Dolichospermum bloom occurred inside the plant. Cyanobacteria and Bacteroidetes were the major bacterial phyla during the bloom. Shotgun metagenomics also showed that Synechococcus, Microcystis, and Dolichospermum were the predominant detected cyanobacterial genera in the samples. Conventional treatment removed more than 92% of cyanobacterial cells but led to cell accumulation in the sludge up to 31 times more than in the RW influx. Coagulation/sedimentation selectively removed more than 96% of Microcystis and Dolichospermum. Cyanobacterial community in the sludge varied from raw water to sludge during sludge storage (1–13 days). This variation was due to the selective removal of coagulation/sedimentation as well as the accumulation of captured cells over the period of storage time. However, the prediction of the cyanobacterial community composition in the SST remained a challenge. Among nutrient parameters, orthophosphate availability was related to community profile in RW samples, whereas communities in ST were influenced by total nitrogen, Kjeldahl nitrogen (N- Kjeldahl), total and particulate phosphorous, and total organic carbon (TOC). No trend was observed on the impact of nutrients on SST communities. This study profiled new health-related, environmental, and technical challenges for the production of drinking water due to the complex fate of cyanobacteria in cyanobacteria-laden sludge and supernatant.
Keywords: Dorner_Sarah

Deep learning-based super-resolution climate simulator-emulator framework for urban heat studies - Wu, Yuankai; Teufel, Bernardo; Sushama, Laxmi; Bélair, Stéphane; Sun, Lijun (Geophysical Research Letters, 2021)
This proof-of-concept study couples machine learning and physical modeling paradigms to develop a computationally efficient simulator-emulator framework for generating super-resolution (<250 m) urban climate information, that is required by many sectors. To this end, a regional climate model/simulator is applied over the city of Montreal, for the summers of 2019 and 2020, at 2.5 km (LR) and 250 m (HR) resolutions, which are used to train and validate the proposed super-resolution deep learning (DL) model/emulator. The DL model uses an efficient sub-pixel convolution layer to generate HR information from LR data, with adversarial training applied to improve physical consistency. The DL model reduces temperature errors significantly over urbanized areas present in the LR simulation, while also demonstrating considerable skill in capturing the magnitude and location of heat stress indicators. These results portray the value of the innovative simulator-emulator framework, that can be extended to other seasons/periods, variables and regions.
MAG ID: 3201655326