Site d‟étude

L‟Hermine a été choisie comme site « test » pour comparer les différentes approches d‟évaluation de la connectivité hydrologique. Il s‟agit d‟un bassin versant de premier ordre situé dans la région des Laurentides, à environ 80 km au nord de Montréal, Québec (45º59‟ N, 74º01‟ W, altitude c. 400 m) (Figure 2.9 A). Le cours d‟eau principal, qui s‟écoule de manière éphémère d‟est en ouest et s‟assèche généralement durant la période estivale, draine une superficie d‟environ 5,1 hectares. Les principales caractéristiques topographiques du bassin versant sont résumées dans la Figure 2.9. La particularité du bassin versant de l‟Hermine est sa morphologie en forme de cuvette, avec une dénivelée maximale de 29 m entre le point le plus haut et l‟exutoire. Le versant sud a aussi la particularité d‟être plus long et d‟avoir une pente moyenne plus élevée que le versant nord.

Des travaux de terrain précédemment réalisés à l‟Hermine (Drouin, 1999) ont permis de récolter des données d‟élévation en 640 points d‟échantillonnage répartis sur tout le bassin versant. Ces données ont ensuite été interpolées pour obtenir un modèle numérique d‟altitude dont la résolution horizontale est d‟un mètre et la précision verticale de l‟ordre du centimètre. L‟algorithme d‟interpolation utilisé pour ce faire, soit celui du voisinage simple naturel lissé, fut choisi en raison de sa meilleure performance en comparaison avec les algorithmes de krigeage, distance pondérée ou triangulation. En effet, Drouin (1999) a montré que la microtopographie du basin versant de l‟Hermine ainsi que la grande quantité points d‟échantillonnage posaient problème lors de l‟interpolation. Les modèles numériques générés grâce à divers algorithmes présentaient des caractéristiques très différentes en ce qui avait trait au nombre de dépressions et à la distribution de

fréquence des valeurs d‟altitude et de pente. L‟algorithme de voisinage naturel simple lissé permettait ainsi de minimiser l‟écart entre les valeurs d‟élévation réelles mesurées au niveau de 640 points et les valeurs interpolées à ces mêmes points. La distribution spatiale de l'indice topographique obtenue présentait également le moins d‟artefacts ; cela permet d‟affirmer que le modèle numérique d‟altitude de l‟Hermine peut-être utilisé à des fins de modélisation hydrologique avec TOPMODEL, par exemple.

Le modèle numérique d‟altitude (Figure 2.9 B) et la carte des pentes (Figure 2.9 D) montrent bien la topographie de surface irrégulière du bassin. Les seules zones relativement planes (Figure 2.9 E) se cantonnent aux alentours du ruisseau, des rigoles, ou d‟une zone plus humide située en amont du bassin versant, à la naissance du ruisseau. Ces zones sont aisément visibles sur la carte de distribution spatiale de l‟indice topographique (Figure 2.9 G) puisque ce sont celles dont la propension à se saturer est la plus grande. Les sols sont des Podzols, d‟une épaisseur maximale de 1 à 2 m, développés sur un till glaciaire. Ces sols sont répartis uniformément sur tout le bassin, mais ceux du versant orienté vers le sud se distinguent par des horizons organiques plus épais et une tendance à la gléyification.

Figure 2.9 – Caractéristiques principales du bassin versant de l‟Hermine. (A) Localisation ; (B) Dénivelée par rapport à l‟exutoire ; (C) Profondeur de l‟horizon peu perméable ; (D) Gradient de pente local ; (E) Indice MRVBF (multi-resolution valley bottom flatness) ; (F) Aire contributive ; (G) Indice topographique de Beven & Kirkby (1979). N.B. : Les cartes de pente et d‟aire contributive ont été dérivées à l‟aide d‟un algorithme multidirectionnel de routage de l‟écoulement. L‟indice MRVBF prend des valeurs élevées lorsque le gradient de pente est très faible (zone plane).

Autrement, les sols du bassin se caractérisent par la présence d‟un horizon cimenté, compact et quasi-imperméable mais discontinu, qui limite la pénétration des racines et ralentit l‟infiltration de l‟eau. Les travaux précédemment publiés sur l‟Hermine suggèrent une profondeur de 75 cm pour l‟horizon cimenté (Biron et al., 1999 ; Courchesne et al., 2001 ; Turgeon, 2004). De récents forages réalisés dans le bassin versant font plutôt croire à la présence d‟éléments de toutes sortes qui limitent la pénétration de l‟eau à des profondeurs supérieures à 50 cm (Figure 2.9 C). Ces éléments peuvent être des fragments de l‟horizon cimenté discontinu, la roche en place ou plutôt de gros blocs de roche composant le till glaciaire et qui ont un impact sur les chemins d‟écoulement préférentiels de l‟eau dans le sol. Il est bon de mentionner que la carte présentée à la Figure 2.9 C a été obtenue en interpolant des valeurs moyennes de profondeur de l‟horizon cimenté récoltées en 257 points répartis sur tout le bassin versant de l‟Hermine. À chacun de ces 257 points d‟échantillonnage, trois forages à la tarière ont été réalisé dans un rayon d‟un mètre autour du point de manière à sonder l‟épaisseur de sol « meuble » au-dessus de l‟horizon cimenté. Les données ainsi mesurées ont ensuite été interpolées (résolution horizontale : 1 m) en utilisant, de nouveau, l‟algorithme de voisinage naturel simple lissé. Effectuer trois sondages à la tarière en chaque site d‟échantillonnage a ainsi permis d‟écarter les données qui semblaient refléter la présence de petits blocs rocheux isolés plutôt que celle de l‟horizon cimenté. Il est donc fortement probable que les données recueillies illustrent la réelle localisation de l‟horizon cimenté dans le profil de sol, ou alors la présence de blocs de roche en place de plus de deux mètres de diamètre et qui, de fait, ont une influence sur les patrons d‟écoulement hypodermique.

La microtopographie de surface du bassin versant est également complexe, en raison de la présence d‟affleurements rocheux, de blocs et de troncs d‟arbres au dessus des horizons organiques (Figure 2.10).

Figure 2.10 – Illustrations de la microtopographie de surface dans le bassin versant de l‟Hermine. (A) Blocs de roche en place et troncs d‟arbre à la surface du sol ; (B) Assèchement progressif du cours d‟eau principal à la fin de la période de fonte printanière ; (C) Grande aire saturée en amont d‟un gros bloc de roche en place ; (D) Rigole activée en cas de forte pluie pour drainer la crête d‟un versant vers le cours d‟eau principal ; (E) Zone saturée de manière quasi-permanente au pied d‟un versant.

D‟un point de vue climatique, le bassin versant de l‟Hermine se situe en milieu tempéré humide. Les températures journalières maximales sont observées en juillet et atteignent +25°C en moyenne, tandis que les minima journaliers (–30°C) sont plutôt observés en janvier. Quant aux apports en eau, ils totalisent 1150 mm sur une base annuelle (± 136 mm). Les observations des 30 dernières années ont, par ailleurs, montré qu‟environ 30 % des précipitations survenaient sous forme de neige, ce qui équivaut à près de 350 mm par année (Biron et al., 1999).

La couverture intégralement forestière du sol a des conséquences importantes sur la saisonnalité du bilan hydrique du bassin. En effet, le peuplement végétal, âgé de 80 à 160 ans, est dominé à 78 % par l‟érable à sucre (Acer saccharum), tandis que d‟autres espèces (hêtre à grandes feuilles ou Fagus grandifolia, bouleau jaune ou Betula alleghaniensis, sapin baumier ou Abies balsamea, bouleau à papier ou Betula papyrifera, peuplier faux tremble ou Populus tremuloides, peuplier à grandes dents ou Populus grandidentata) occupent le reste de la canopée (Courchesne et al., 2001 ; Turgeon, 2004). Les effets de l‟évapotranspiration sont donc au minimum entre les mois d‟octobre et d‟avril et durant cette période, c‟est le drainage gravitaire qui contrôle les changements de teneur en eau et de hauteur de la nappe phréatique dans le sol. Au contraire, pendant la période estivale, les effets combinés de l‟interception par la canopée et de l‟évapotranspiration diminuent la probabilité d‟observer du ruissellement de crue de surface, sauf à la suite des épisodes pluvieux très intenses. Cet effet de saisonnalité se reflète dans les débits observés à l‟exutoire (Figure 2.11). Les conditions prévalant dans le bassin versant de l‟Hermine sont d‟ailleurs propices à la genèse de ruissellement de surface par excès de saturation, comme en témoignent les variations de la hauteur de la nappe phréatique durant les 12 dernières années (entre 1 et 108 cm de profondeur, moyenne de 68 cm) (Biron et al., 1999).

qui permet la formation d‟aires saturées et l‟acheminement du ruissellement de crue depuis les versants jusqu‟au cours d‟eau, et ii) des sols avec un horizon de moindre perméabilité à quelques dizaines de centimètres de profondeur, qui favorise la formation de nappes perchées et l‟écoulement latéral de proche subsurface. Si l‟on se fie à Grayson & Western (2001), le bassin versant de l‟Hermine est donc un cas intéressant pour l‟application de modèles hydrologiques basés sur des indices de similarité topo-hydrologique.

Figure 2.11 – Évolution du débit journalier enregistré à l‟exutoire du bassin versant de l‟Hermine pour les périodes 1995-1997 et 2004-2007.