Modélisation locale et régionale du régime thermique des rivières. - Souaissi, Zina (Doctorat en sciences de l'eau, 2022)
La température extrême de l’eau influence de nombreuses propriétés physiques, chimiques et biologiques des rivières. l ’ évaluation de l ’ Une prédiction précise de la température de l’eau est importante pour impact environnemental. Dans ce cadre, différents modèles ont été utilisés pour estimer les températures de l ’ linéaires simp eau à différentes échelles spatiales et temporelles, allant des méthodes les pour déterminer l’incertitude à des modèles sophistiqués non linéaires. Cependant, cette variable primordiale n’a pas été traitée dans un contexte probabiliste (ou fréquentiste). Donc, l’estimation des évènements extrêmes thermiques à l’aide des approc hes d’analyse fréquentielle locale (AFL) est importante. Lors de l’estimation des extrêmes thermiques, il est crucial de tenir compte de la forme de la distribution de fréquences considérée. Dans la première partie de la thèse , nous nous concentrons sur la sélection de la distribution de probabilité la plus appropriée des températures des rivières. Le critère d critère d ’ ’ information d ’ Akaike (AIC) et le information bayésien (BIC) sont utilisés pour évaluer la qualité de l distributions statis ’ ajustement des tiques. La validation des distributions candidates appropriées est également effectuée en utilisant l ’ approche de diagramme de rapport des L obtenus montrent que la distribution de Weibull (W2) moments (MRD). Les résultats est celle qui semble s’ajuster le données provenant des stations de haute altitude, tandis que les mieux aux séries d’extrêmes provenant des stations situées dans les régions de basse altitude sont bien adaptées avec la distribution normale (N). Ceci correspond au premier article. L a ’ couverture spatiale des données de température des cours d ’ eau est limitée dans de nombreuses régions du monde. Pour cette raison, une analyse fréquentielle régionale (AFR) permettant d estimer les extrêmes de température des rivières sur des sites non jau gés ou mal surveillés est nécessaire. En général, l’AFR inclut deux étapes principales, la délimitation des régions homogènes (DRH) qui vise à déterminer les sites similaires, et l’estimation régionale (ER) qui transfère l’information depuis les sites déte rminés dans la première étape vers le site cible. Par conséquent, le modèle d’indice thermique (IT) est introduit dans le contexte d’AFR pour estimer les extrêmes du régime thermique. Cette méthode est analogue au modèle d ’ indice de crue (IF) largement uti lisé en hydrologie. Le modèle IT incorpore l’homogénéité de la distribution de fréquence appropriée pour chaque région, ce qui offre une plus grande flexibilité. Dans cette étude, le modèle IT est comparé avec la régression linéaire multiple (MLR). Les rés ultats indiquent que le modèle IT fournit la meilleure performance (Article 2) . Ensuite, l’approche d’analyse canonique des corrélations non linéaires (ACCNL) est intégrée dans la DRH, présentée dans le Chapitre 4 de ce manuscrit (Article 3). Elle permet de considérer la complexité des phénomènes thermiques dans l’étape de DRH. Par la suite, dans le but d’identifier des combinaisons (DRH-ER) plus prometteuses permettant une meilleure estimation, une étude comparative est réalisée. Les combinaisons considérées au niveau des deux étapes de la procédure de l’AFR sont des combinaisons linéaires, semi-linéaires et non linéaires. Les résultats montrent que la meilleure performance globale est présentée par la combinaison non linéaire ACCNL et le modèle additif généralisé (GAM). Finalement, des modèles non paramétriques tels que le foret aléatoire (RF), le boosting de gradient extrême (XGBoost) et le modèle régression multivariée par spline adaptative (MARS) sont introduits dans le contexte de l’AFR pour estimer les quantiles thermiques et les comparer aux quantiles estimés à l’aide du modèle semi-paramétrique GAM. Ces modèles sont combinés avec des approches linéaires et non linéaires dans l’étape DRH, telles que ACC et ACCNL, afin de déterminer leur potentiel prédictif. Les résultats indiquent que ACCNL+GAM est la meilleure, suivie par ACC+MARS. Ceci correspond à l’article 4. Extreme water temperatures have a significant impact on the physical, chemical, and biological properties of the rivers. Environmental impact assessment requires accurate predictions of water temperature. The models used to estimate water temperatures within this framework range from simple linear methods to more complex nonlinear models. However, w ater temperature has not been studied in a probabilistic manner. It is, therefore, essential to estimate extreme thermal events using local frequency analysis (LFA). An LFA aims to predict the frequency and amplitude of these events at a given gauged locat ion. In order to estimate quantiles, it is essential to consider the shape of the frequency distribution being considered. The first part of our study focuses on selecting the most appropriate probability distribution for river water temperatures. The Akai ke information criteria (AIC) and the Bayesian information criteria (BIC) are used to evaluate the goodness of fit of statistical distributions. An Lmoment ratio diagram (MRD) approach is also used to validate sui table candidate distributions. The results good fit for extremes data from the highindicate that the Weibull distribution (W2) provides a altitude stations, while the normal distribution (N) is most appropriate for lowaltitude stations. This corresponds to the first article. In many parts of the world, river temperature data are limited in terms of spatial coverage and size of the series. Therefore, it is necessary to perform a regional frequency analysis (RFA) to estimate river temperature extremes at ungauged or poorly monitored sites. Generall y, RFA involves two main steps: delineation of homogenous regions (DHR), which identifies similar sites, and regional estimation (RE), which transfers information from the identified sites to the target site. The thermal index (TI) model is introduced in t he context of RFA to estimate the extremes of the thermal regime. This method is analogous to the index flood (IF) model commonly used in hydrology. The TI model considers the homogeneity of the appropriate frequency distributions for each region, which pr ovides larger flexibility. This study compares the TI model with multiple linear regression (MLR) approach. Results indicate that the TI model leads to better performances (Article 2). Then, the nonlinear canonical correlations analysis (NLCCA) approach is integrated into the DHR, as presented in Chapter 4 of this manuscript (Article 3). It allows considering the complexity of the thermal phenomena in the DHR step. A comparative study is then conducted to identify more promising combinations (DHR RE), that RFA procedure, linear, semilead to best estimation results. In the two stages of the linear, and nonlinear combinations are considered. The results of this study indicate that the nonlinear combination of the NLCCA and the generalized additive model (GAM ) produces the best overall performances. Finally, nonparametric models such as random forest (RF), extreme gradient boosting (XGBoost), and multivariate adaptive regression splines (MARS) are introduced in the context of RFA in order to estimate thermal q uantiles and compare them to quantiles estimated using the semiparametric GAM model. The predictive potential of these models is determined by combining them with linear and nonlinear approaches, such as CCA and NLCCA, in the DHR step. The results indicat e that NLCCA+GAM is the best, followed by CCA+MARS. This corresponds to article 4.

Le rôle des rivières dans les dynamiques du carbone, de l’azote, et du phosphore selon des gradients d’utilisation du territoire et des contrastes climatiques - Shousha, Stéphanie (2022)
Les rivières sont des écosystèmes dynamiques qui reçoivent, transforment, et exportent de la matière organique comprenant du carbone (C), de l’azote (N), et du phosphore (P). De par leur grande surface de contact entre l’eau et les sédiments, elles offrent un potentiel élevé pour les processus de transformation de ces éléments, dans lesquels ils sont souvent conjointement impliqués. Ces transformations peuvent retirer les éléments de la colonne d’eau et ainsi diminuer leurs concentrations pour améliorer la qualité de l’eau. Par contre, les conditions climatiques (débit, température, luminosité), la configuration du territoire (forêt, urbanisation, agriculture), et la durée des activités humaines sur terre affectent la quantité, composition, et proportion de C, N, et P livrés aux cours d’eau receveurs. Dans un contexte où un surplus de nutriments (N, P) peut surpasser la capacité des rivières à retirer les éléments de l’eau, et où les extrêmes climatiques s’empirent à cause des changements climatiques, cette thèse met en lumière le rôle des rivières dans les dynamiques de C, N, et P pour une meilleure compréhension de la réponse des écosystèmes lotiques aux pressions actuelles et futures. La Rivière du Nord draine séquentiellement des régions couvertes de forêt, d’urbanisation, et d’agriculture, et oscille entre quatre saisons distinctes, l’exposant à des utilisations du territoire et conditions climatiques contrastées. Nous avons échantillonné les formes de C, N, et P à 13 sites le long du tronçon principal (146 km), une fois par saison pour trois ans. De façon générale, les concentrations de N et P totaux ont augmenté d’amont vers l’aval, concordant avec l’activité humaine plus importante dans la deuxième moitié du bassin versant, mais les concentrations de C organique total sont restées constantes peu importe la saison et l’année. La stœchiométrie écosystémique du C : N : P était donc riche en C comparé au N et P en amont, et s’est enrichie en nutriments vers l’aval. L’étendue (2319 : 119 : 1 à 368 : 60 : 1) couvrait presque le continuum terre – océan à l’intérieur d’une seule rivière. Des formes différentes de C, N, et P dominaient la stœchiométrie totale dépendamment des saisons et de l’utilisation du territoire. En été, la composition du N était dominée en amont par sa forme organique dissoute et par le nitrate en aval, tandis qu’en hiver, l’ammonium et le P dissous avaient préséance sur l’entièreté du continuum. Malgré une concentration constante, la proportion des molécules composant le C différait aussi selon la saison et l’utilisation du territoire. L’été était dominé par des formes dégradées par l’action microbienne et l’hiver par des formes bio- et photo-labiles. Ceci fait allusion au potentiel de transformation de la rivière plus élevé dans la saison chaude plutôt que sous la glace, où les formes plus réactives avaient tendance de s’accumuler. La composition du C en amont était aussi distincte de celle en aval, avec un seul changement abrupt ayant lieu entre la section forestière et la section d’utilisation du territoire urbaine et agricole. Ces changements de compositions n’étaient pas présents durant le printemps de crue typique échantillonné, mais dans l’inondation de fréquence historique nous avons observés des apports nouveaux de molécules provenant soit des apports terrestres normalement déconnectés du réseau fluvial ou de surverses d’égouts. L’influence des facteurs naturels et anthropiques s’est aussi reflétée dans les flux historiques riverains de C, N, et P (1980 – 2020). La précipitation explique le plus les flux de C et les flux de N dans la section pristine. Les apports historiques au territoire de N anthropique (nécessaires pour soutenir la population humaine et les activités agricoles) expliquent fortement la tendance temporelle à la hausse des flux riverains de N dans la section urbaine. Durant les quatre dernières décennies, un peu plus du tiers des apports de N au territoire sont livrés à la rivière annuellement, suggérant que la source urbaine de N anthropique est encore peu gérée. Le manque de corrélation entre les flux de P dans la rivière et les précipitations ou les apports au territoire de P anthropique peut être expliqué par les usines de traitement des eaux usées installées dans la région vers la fin des années 1990 qui ont fait diminuer presque de moitié le P livré à la rivière. La variation de ces flux s’est reflétée dans la stœchiométrie écosystémique historique, qui varie de 130 : 23 : 1 en 1980 à 554 : 87 : 1 en 2007-08 après l’effet de l’usine d’épuration et du N qui a augmenté. À travers les axes historiques, spatiaux, et saisonniers, cette thèse contribue à la compréhension du rôle des rivières dans la réception, la transformation, et l’export du C, N, et P. Combinée aux concentrations, l’approche de stœchiométrie écosystémique propose une façon d’intégrer apports et pertes des éléments pour les étudier de pair au niveau du bassin versant. Puis, comme certaines formes de C, N, et P sont associées à des sources terrestres spécifiques, ou à certains types de transformations, les inclure dans un cadre conceptuel combinant des extrêmes climatiques et des utilisations du territoire différentes offre un aperçu sur le résultat des sources et transformations des éléments. Enfin, les tendances décennales de C, N, et P riverains montrent l’influence des facteurs naturels et anthropiques sur la stœchiométrie écosystémique historique d’une rivière.