Caractérisation et modélisation de l’efficacité de bassins de sédimentation en aval de tourbières exploitées.

Université du Québec

Institut National de la Recherche Scientifique Centre Eau Terre Environnement

CARACTÉRISATION ET MODÉLISATION DE L’EFFICACITÉ DE BASSINS DE

SÉDIMENTATION EN AVAL DE TOURBIÈRES EXPLOITÉES

Par

Myriam Samson-Dô

M oi e p se t pou l’o te tio du g ade de

Maît e s s ie es M.S . e s ie es de l’eau

Ju y d’évaluation

Président du jury et Alain Rousseau

examinateur interne INRS-ETE

Examinateur externe Michelle Garneau

Faculté de géographie

Université du Québec à Montréal

Directeur de recherche André St-Hilaire

INSR-ETE

REMERCIEMENTS

Peu importe l’ p eu e, au fi al on arrive tous à Noël en même temps.

Je voudrais d’a o d sincèrement remercier mon directeur de recherche, André St-Hilaire, pour ’a oi offe t la ha e d’e t e da s le o de de l’h d ologie. Ta disponibilité, ton écoute, et ta compréhension ’o t g a de e t aid e. Tu as toujours pris le temps de ’e pli ue les d tails ui ’ taie t uleu . Je ’au ais p o a le e t pas gag la ataille sa s to aide et ton support. Merci de ’a oi fait o fia e, e si je e suis u’une biologiste !

Un grand merci à tous les stagiai es de te ai ui ’o t aidée à jouer dans la boue durant ces deux longs étés de terrains. Un merci particulier à Rose a ie pou ’a oi aid e à prendre des décisions le premier été et pour le support moral. Un autre merci particulier à Constance pour ton support moral, ta patience _{et pou t’ t e sa rifiée dans les marres de boue à ma place.} Merci également à Cyril et Audrey pour les conseils techniques et pour les encouragements. Me i à Sa d a pou l’aide sur le terrain.

Merci à ma famille qui ne comprend pas toujours ce que je fais, mais qui est toujours fière de moi. _{Me i aussi à es a is de ’a oi aid e à garder confiance.}

Gabi, merci _{d’a oi t o technicien, lecteur, correcteur, support moral et mon mouchoir} du a t es deu a s. J’ai hâte que tu me connaisses dans un autre contexte que celui d’ tudia te. J’esp e ue je se ai plus fa ile à i e.

Je veux également remercier les gens _{ue j’ai oto s chez Berger, chez Premier Tech, chez} Fafard et Frères, chez Lambert _{ai si u’à l’APTHQ pou l’ou e tu e u’ils o t démontré face au} p ojet. Me i d’a oi t dispo i les et d’a oi so ti o t a teu e lis da s la oue.

Fi ale e t, j’ai e ais e pas e e ie les auto ha tillo eu s pou tous les problèmes et les ol es u’ils ’o t aus s. Je voudrais également ne pas remercier les castors pour avoir o st uit leu aiso su o te itoi e. Je oud ais epe da t ’e use pou les fa illes de castors que l’on a brisées en les délocalisant.

v

RÉSUMÉ

La tourbe horticole, qui entre dans la composition de terreaux, est une industrie très présente au Québec et au Nouveau-B u s i k Ca ada . Pou e t ai e la tou e, il faut d’a o d a aisse la nappe phréatique sur le territoire de récolte afi d’ass he la ou he sup ieu e de tou e pou e suite la olte à l’aide d’aspi ateu s i dust iels. Cepe da t, l’eau d ai e est ha g e de sédiments en suspension qui peuvent affecter l’ha itat et le ta olis e des organismes des ou s d’eau epteu s. L’eau d ai e est do di ig e e s des assi s de s di e tatio pou réduire sa charge sédimentaire avant de la relâcher dans la nature. Ce mémoire porte sur la caractérisation et la modélisatio de l’effi a it de aptu e de es bassins de sédimentation. De plus, un protocole _{d’ ha tillonnage pour le suivi de la concentration des solides en suspension} par _{l’i dust ie a t test .}

Huit bassins de conception et de ratio volume/superficie drainée différents (705 à 4170 m3/km2) o t t i st u e t s da s t ois gio s du Qu e . Afi de esu e l’ olutio de l’effi a it de capture de ces bassins, la concentration de sédiments en suspension et le débit ont été enregistrés en continu en amont et en aval de chaque bassin pour la période sans glace (mai-novembre). De plus, des autoéchantillonneurs ont été déployés à la sortie de certains bassins afin d’ esu e la ualit de l’eau en termes de sédiments en suspension.

Les résultats montrent que les bassins ayant un grand volume par rapport à la superficie de tourbière drainée, les bassins multiples ainsi que ceux ayant un dispositif de régulation du débit sont plus efficaces. De plus, la nature des sédiments (taille, degré de décomposition et pourcentage de matière organique) influence la quantité de sédiments qui entre dans le bassin, ais pas so effi a it de aptu e. Fi ale e t, des od les o çus pou p di e l’effi a it de capture de bassins de rétention municipaux ont été testés avec seulement quelques bassins qui traitent des sédiments tourbeux. Bie u’u e relation similaire à celle des bassins de rétention municipaux ait été observée, un exercice de modélisation plus poussé devra être complété pour valider les résultats.

vii

ABSTRACT

Peat moss, which enters in many potting mix, is an important industry in the provinces of Quebec and New-Brunswick (Canada). To harvest peat, the water table of the peat bog must be lowered to allow the surface peat layer to dry. The dry peat is then harvested with industrial vacuums. However, the drained water can contain suspended sediments that may affect aquatic organisms of the receptor stream. To counter the problem, this water does not go directly in the stream but first flows through a sedimentation basin, built to reduce suspended sediment loads. This work focused on the characterisation and the modelling of the trap efficiency of those sedimentation basins. A protocol for the water quality monitoring (focusing on suspended sediment concentrations) made by industries has also been tested.

Eight basins with different volume/drained area ratios (705 to 4170 m3/km2) were studied in three Quebec regions. To measure the trap efficiency of each basin, the suspended sediment concentration and the water flow were monitored upstream and downstream of each basin for the whole ice-free season (May-November). Moreover, auto-samplers were installed downstream of sedimentation basins to mesure the water quality.

Results show that larger basins compared to their drained area, multiples basins and those with a flow regulation device were more efficient than smaller single basins. Moreover, the nature of sediments (size, degradation level and percentage of organic matter) affect the amount of peat that enters a basin, but not its trap efficiency. Finally, models developed to predict trap efficiency of municipal basins were tested for basins that capture peat sediments. The relation was similar, but modelisation is necessary to validate those results.

ix

TABLE DES MATIÈRES

1. Introduction ... 1

1.1 Mise en contexte ... 3

1.2 Efficacité de capture ... 6

1.3 Fa teu s ui i flue e t l’effi a ité de aptu e ... 7

1.3.1 Propriétés des sédiments ... 7

1.3.2 Propriétés hydrauliques ... 8

1.4 Modélisatio de l’effi a ité de aptu e ... 10

1.5 Objectifs... 11 2 Méthodologie ... 13 2.1 Sites à l’étude ... 15 2.2 Efficacité de capture ... 18 2.2.1 Estimation du débit ... 18 2.2.2 Estimation de la CSS ... 19

2.3 Fa teu s ui i flue e t l’effi a ité de aptu e ... 22

2.3.1 Propriétés des sédiments ... 22

2.3.2 Hydrologie ... 24

2.3.3 Propriétés du bassin et des canaux ... 25

2.3.4 Analyses ... 26

2.4 Modélisatio e pi i ue de l’effi a ité de aptu e ... 27

2.5 Qualité de l’eau ... 27

3 Résultats ... 31

3.1 Hydrologie des bassins de sédimentation ... 33

3.2 Ca a té isatio de l’effi a ité des assi s selo leu s di e sio s ... 36

3.3 Nature des sédiments ... 39

3.4 Effet de la saison sur les sédiments en suspension ... 42

x

3.6 Modélisatio de l’effi a ité ... 46

3.6.1 Modèle de Heinemann (1981) ... 46

3.6.2 Modèle de Brown (1943) ... 47

3.7 Autoéchantillonneurs (AE) ... 49

4 Discussion et conclusion ... 53

4.1 Sou es d’i e titude et iais... 55

4.2 Ca a té isatio de l’effi a ité des assi s ... 55

4.2.1 Dimensionnement des bassins ... 55

4.2.2 Nature des sédiments ... 57

4.2.3 Recommandations ... 58

4.3 Effet de la saison sur les sédiments en suspension ... 60

4.4 Effet de l’e t etie des assi s su leu effi a ité ... 61

4.5 Autoéchantillonneurs ... 62

4.6 Conclusion ... 63

5 Références ... 61

6 ANNEXEs ... 69

6.1 Annexe 1 – Courbes de tarage ... 71

6.2 Annexe 2 – Courbes de calibration ... 75

6.3 Annexe 3 – Diag a e e ha a de la diffé e e e t e la CSS des é ha tillo s é oltés pa l’AE et enregistrée par le néphélomètre ... 79

xi

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1. Pour chaque bassin étudié, les dates d'installation et de retrait des instruments pour la saison 2014 (2013 pour bassin B2), la date de vidange du/des bassin-s, le o e de jou s i lus da s le al ul d’effi a it saisonnière, la superficie drainée, le volume des bassins (cumulé pour les bassins multiples), la taille o e e des s di e ts e a o t du assi , l’ tat de d o positio de la tou e degré von Post), les équations de calibration des néphélomètres et de tarage pour le débit entrant et sortant ainsi que les sp ifi it s du assi s’il a lieu. ... 17 Tableau 2. Définition des classes de l’ helle o Post. Pa ette & Ro hefo t ... 22 Ta leau . Les uat e e e ts de pluie ha tillo s pa l’AE e te es de CSS (g/L) et de Pluie (mm), ainsi

xiii

LISTE DES FIGURES

Figu e . Fa teu s ui i flue e t l’effi a it de aptu e des assi s de s di e tatio . Adaptatio de Ve st aete & Poesen 2000. ... 7 Figu e . La itesse iti ue d’ osio lig e poi till e et de sédimentation (ligne pleine) en fonction de la taille des

s di e ts i o ga i ues du lit d’u e i i e. Ti de Hjulst o ... 8 Figu e . Diff e tes o figu atio s de assi s de s di e tatio . Le hiff e de ouleu ep se te l’effi a it

hydraulique des bassins. (WSUD 2006) ... 9 Figu e . S h a à l’ helle :100) des huit bassins étudiés en vue aérienne. ... 16 Figu e . E e ple d’u e courbe de tarage en aval du bassin B4. Les courbes bleues pointillées représentent

l’i te alle de o fia e à %. ... 19 Figure 6. E e ple d’u e ou e de ali atio d’u tu idi t e NEP A alite au assi B a al. Les ou es

leues poi till es ep se te t l’i te alle de o fia e à %. ... 21 Figu e . E e ple d’u histog a e de la dist i utio des tailles de s di e ts d’u ha tillo . ... 23 Figu e . a S h a d’u e ue t a s e sale d'u assi de s di e tatio , po eau e a al du a al a al B ,

seuil du canal aval B8 et (d) un géotextile tendu perpendiculairement au centre du bassin B1. Photos par Myriam S-D ... 26 Figure 9. Auto-échantillonneur (a) vue d'ensemble de l'instrument et (b) compartiment inférieur avec les

bouteilles. Images tirées du guide utilisation PVS4100/4120/4150 Portable Samplers par Campbell Scientific. ... 28 Figure 10. Précipitations de la saison d'échantillonnage (avril à octobre) pour les 10 dernières années à chaque

région. La moyenne des précipitations des 10 dernières années est indiquée par la ligne horizontale. ... 33 Figu e . Hauteu de la la e d’eau jou ali e a des assi s B , B , B et B , (b) du bassin B6, (c) des bassins B7

et B8 et (d) du bassin B2, ainsi que les précipitations journalières de chaque région pour une période

commune entre le 6 août et le 5 novembre. ... 34 Figure 12. Série chronologique de la charge cumulative amont et aval des bassins B1 à B8, ainsi que de l'EC

journalière. La ligne rouge indique la vidange du ou des bassins. ... 35 Figure 13. Trois relations entre l'efficacité de la saison 2014 (2013 pour bassin B2) et (a) le ratio V/D, (b) le ratio V/I et (c) le temps de résidence minimum de chaque bassin. Les lignes rouges pointillées représentent la valeur

i i u e a s isse pou u’u assi soit effi a e. ... 38 Figu e . L’effi a it des assi s e fo tio de a la taille des s diments en amont, (c) du degré von Post des

tourbières drainées par chaque bassin, (e) de la superficie de tourbière drainée et (g) du pourcentage de matière organique contenu dans les sédiments en suspension. La charge en amont des bassins en fonction (b) de la taille des sédiments amont, (d) du degré von Post des tourbières drainées, (f) de la superficie de tourbière drainée par chaque bassin et (h) du pourcentage de matière organique. Les bassins en gris sont retirés des analyses statistiques pour des raisons de non-conformité des données. ... 40

xiv

Figure 15. Granulométrie des échantillons récoltés in situ (bleu) et des échantillons issus de la calibration du néphélomètre (noir) (a) en amont et (b) en aval de chaque bassin. Le « • » représente la taille moyenne des s di e ts et l’i te alle o te u e t e les deux traits « – » i lut % des tailles de s di e ts. L’ toile ouge « * » sig ifie ue l’ ha tillo a t a al s ie ue la o e t atio i i ale ’ait pas t attei te. ... 42 Figure 16. (a) CSS amont moyenne et (b) charge amont totale pour chaque bassin en été (vert) et en automne

(bleu). Le nombre de jours (n) et le pourcentage du nombre de jours total (%) pris en compte pour chaque saison à chaque bassin sont inscrits au-dessus des barres. La saison estivale est comprise entre le 1er juillet et le 15 septembre et la saison automnale est comprise entre le 16 septembre et novembre (date de fin variable selon le bassin). ... 43 Figu e . a La hauteu o e e de la la e d’eau uissel e pou ha ue assi e t e t et e auto e

(bleu). (b) Fraction des précipitations qui ruisselle vers chaque bassin. Le nombre de jours et le pourcentage du nombre de jours total pris en compte pour chaque saison à chaque bassin est inscrit au-dessus des barres. La saison estivale est comprise entre le 15 juillet et le 14 septembre et la saison automnale est comprise entre le 16 septembre et le 5 novembre. ... 44 Figure 18. Efficacité d'un événement de pluie prévidange (rouge) et post-vidange (orange) pour chaque bassin. Il

tait i possi le d’a oi des e e ts de pluie p et post-vidange comparables pour les bassins B2 (castors) et B7 (seulement période post- ida ge . La hauteu de pluie de l’ e e t est inscrite au-dessus de chaque barre. ... 45 Figure 19. Hydrologie (précipitation et débit) d'un bassin de sédimentation (B4) pour un événement de pluie de (a) 58mm entre le 28 juillet 2014 et le 02 août 2014 (efficacité = -44%) et de (b) 66 mm entre le 15 et 22 octobre 2014 (efficacité = 92%). La vidange du bassin a eu lieu le 29 août 2014. Les données sont au pas de temps horaire. ... 46 Figure 20. (a) Efficacité saisonnière d'un bassin en fonction de son ratio Volume / Inflow. En vert, l'équation de

Heinemann (1981) développée pour les bassins qui traitent des sédiments minéraux. En bleu, l'équation de Heinemann modifiée pour les sédiments tourbeux. Les observations (bassins) sont en orange. Les bassins B7

e g is et B a se t du g aphi ue ’o t pas t p is en compte. (b) Validation partielle du modèle. ... 48 Figure 21. (a) Efficacité saisonnière d'un bassin en fonction de son ratio Volume / Superficie drainée (V/D). En vert,

l'équation de Brown (1943) pour D=0.046, D=0.1 et D=1 développée pour les bassins qui traitent des sédiments minéraux. En bleu, l'équation de Brown modifiée pour les sédiments tourbeux. Les observations (bassins) so t e o a ge. Les assi s e g is ’o t pas t p is e o pte. Validatio pa tielle du od le. ... 49 Figure 22. Événements de pluie échantillonnés par l'autoéchantillonneur. Les précipitations horaires sont en brun,

xv

LISTE DES ÉQUATIONS

= é (Équation 1) ... 6 é = ∙ − + . ∙ � (Équation 2) ... 10 é = − + �� + �� (Équation 3)... 11 % = × − (Équation 4) ... 18 = é × � × � × × × (Équation 5) ... 18 � = é ∗ (Équation 6) ... 24 é = � (Équation 7) ... 26

xvii

LISTE DES ABRÉVIATIONS

CSS = Concentration de sédiments en suspension EC = Efficacité de capture

M.O. = Matière organique

UTN = Unité de turbidité néphélométrique

Ratio V/D = Ratio du Volume du bassin/Superficie de tourbière drainée Ratio V/I = Ratio du Volume du bassin/Inflow

1

1.

INTRODUCTION

3

1.1

Mise en contexte

Les tourbières ombrotrophes sont des milieux humides dont la composition végétale est dominée par les sphaignes. Lorsque ces plantes meurent à la fin de chaque saison, elles s’a cumulent au lieu de se décomposer entièrement dû aux conditions acides et anaérobiques de ces milieux. Les sphaignes mortes forment un dépôt tourbeux qui peut atteindre plusieurs mètres d’ paisseu . En Europe, la tourbe a longtemps été utilisée comme combustible et elle l’est e o e aujou d’hui da s e tai s pa s o e la Fi la de (Karhunen et al. 2015) ou l’I la de (Rourke et al. 2009). En Amérique du Nord, cette mousse de sphaigne est utilisée en ho ti ultu e o e su st at de oissa e pou ses p op i t s de te tio d’eau. Le Ca ada est d’ailleu s le p i ipal p odu teu de tou e horticole dans le monde (Daigle et Gautreau-Daigle 2001). Environ 0.014% de la superficie totale des tourbières canadiennes est exploitée, soit près de 160 km2 (16000 ha).

Au Canada, la récolte _{de la tou e se fait pa aspi atio à l’aide d’aspi ateu s i dust iels. La} ati e g tale i a te est d’a o d eti e et des canaux de drainage sont creusés afin d’a aisse la appe ph ati ue. La couche superficielle de tourbe peut donc sécher au soleil a a t d’ t e aspi e ou he pa ou he. Seuls uel ues illi t es de tou e so t aspi s à chaque récolte, il faut donc typiquement plusieurs décennies pour épuiser une tourbière. Des techniques de restauration ou de réhabilitation sont ensuite entreprises sur la tourbière quand la couche de tourbe résiduelle ne possède plus les qualités recherchées en horticulture (Rochefort et al. 2003).

Un des _{i pa ts pote tiels des a ti it s de olte su la ualit de l’eau est le elâ he e t de} sédiments tourbeux via _{l’eau d ai e. Lo s d’ e e ts de pluie, la ou he superficielle de la} tourbière peut être érodée par le ruissellement et les canaux de drainage sont aussi érodés par l’eau ui i ule a e u e lo it suffisa te (Kløve 1998). De plus, Holden et Burt (2003) ont l l’i po ta e de l’appo t de s di e ts par des réseaux de macropores sous la surface des tourbières perturbées. Ainsi, beaucoup de sédiments peuvent être amenés dans les cours d’eau où se d e se t les a au de d ai age (Clément et al. 2009; Ouellette et al. 2006).

4

Tous les i eau t ophi ues d’u ou s d’eau ou d’u estuai e epteu peu e t t e affe t s par un éventuel apport de particules en suspension. La diminution de la lumière engendrée par ces particules en suspension peut premièrement limiter la production _{d’algues et de} macrophytes aquatiques (Whatley et al. 2014). Ces plantes abritent plusieurs espèces d’i e t s ui so t des pilie s de la hai e ali e tai e. U e aisse des populatio s d’i e t s d’u ou s d’eau peut a oi u i pa t su les i eau t ophi ues sup ieu s. U e étude sur les crevettes de sable (Crangon septemspinosa) a également montré que la présence de tou e su le lit d’u estuai e da s le uel se d e se u e i i e e e a t l’eau de d ai age chargée en particules de tourbe peut affecter la qualité de leur habitat et ainsi, réduire leur abondance_{. E effet, es e ettes o t de la diffi ult à s’e foui da s les s di e ts tou eu} pour éviter leurs prédateurs puisque la tourbe est moins dense que le sable auquel elles sont adaptées (Ouellette et al. 2006)_{. De plus, la fai le aleu e g ti ue de la tou e u’ils} ingèrent avec leurs proies nuit à leur croissance (Ouellette et al. 2003). Chez les poissons, la mortalité des alevins de truite brune (Salmo trutta) augmente si le substrat dans lequel les œufs taie t e fouis o tie t de la tou e. E effet, Olsson et Persson (1986) ont observé que les œufs e fouis da s des s di ents fins comme la tourbe éclosent prématurément, ce qui réduit leurs chances de survie au stade alevin.

Ai si, pou i i ise la ha ge s di e tai e ejet e da s les ou s d’eau e i o a ts, des bassins de sédimentation sont souvent creusés en aval du réseau de drainage des tourbières exploitées. Les seules normes quant à leur construction ont été émises à la suite d'une étude de GEMTEC (1993) pour le Nouveau-B u s i k. Ce appo t e o a de e t e aut es u’u assi ait un volume minimum de 25 m3 par hectare de tourbière drainée. De plus, la profondeur minimum d’u bassin devrait être de 1.5 m et son ratio longueur/largeur devrait être entre 6.5 : 1 et 12 : afi d’assu e u te ps de side e i i u de deu heu es.

La norme néo-brunswickoise recommande également que la concentration de sédiments en suspe sio CSS de l’eau ejet e e a al d’u assi e d passe pas 25 mg/L (GEMTEC 1993). Cependant, plusieurs études canadiennes récentes ont montré que la présence de bassins de

5

sédimentation ne permet pas nécessairement de respecter ce seuil. La CSS en aval du bassin étudié par Clément et al. (2009) a dépassé ce seuil 36% du temps, celui suivi par Es-Salhi et al. (2013) 50% du temps, ceux de St-Hilaire et al. (2006) entre 54% et 86% du temps alors que ceux de Pavey et al. (2007) ont en moyenne dépassé le seuil de 25 mg/L 71% du temps. À noter que le site de mesure des CSS de Clément et al. (2009) et de Es-Salhi et al. (2013) se situe dans la i i e où l’eau du assi de s di e tatio est d ha g e alo s ue les sites d’ tude de Pa e et al. (2007) et de St-Hilaire et al. (2006) sont entre le bassin et la riviè _{e e e a t l’eau de} drainage. _{Il faut aussi soulig e u’u des assi s suivis par ces deux derniers auteurs ne} respectait pas les normes de conception néo-brunswickoise. La CSS enregistrée par Clément et al. (2009) et Es-_{Salhi et al. est dilu e pa le olu e d’eau du ou s d’eau epteu , ais} dépasse tout de même le seuil de 25 _{g/L. De plus, e da s u ou s d’eau d ai a t u e} tourbière non perturbée, il arrive que ce seuil soit dépassé. Le site non perturbé de Clément et al. (2009) et de Es-Salhi et al. (2013) a dépassé ce seuil 3% du temps alors que celui de Pavey et al. (2007) a été dépassé 30% du temps. La norme néo-brunswickoise est donc actuellement en révision.

Pour optimiser leur efficacité, ces bassins de sédimentation nécessitent un entretien régulier afi de dui e la e ise e suspe sio des s di e ts. E effet, lo s d’ énements pluvieux, la lo it de l’eau aug e te da s le assi et te d à e ett e les s di e ts plus fins en suspension. Le o le e t d’u assi e de ait dailleu s pas e der 25% de son volume total selon le rapport de GEMTEC (1993). Il est donc important de vidanger les bassins guli e e t, jus u’à deu fois pa saiso selo Es-Salhi (2011). Deux méthodes sont utilisées pour vidanger les bassins : avec une pelle mécanique ou avec une pompe à purin. Dans les deux cas, les sédiments sont déposés sur le bord du bassin, mais les dépôts sont projetés plus loin du bassin avec une pompe à purin.

U e aut e optio pou dui e la ha ge s di e tai e d ai e e s les ou s d’eau est la mise e pla e de a ais filt a ts e a al du s st e de d ai age d’u e tourbière. Nieminen et al. (2005) ont _{tudi l’i pa t de es a ais filt a ts su sept tou i es finlandaises exploitées et} ils ont observé une rétention de 82% des sédiments pour le marais le plus gros (équivalant à

6

4.9% de la superficie drainée). Kløve (2000) _{soutie t gale e t u’e période de ue, l’ajout} d’u a ais filt a t aug e te la te tio des s di e ts o pa ati e e t à u assi seul. Cepe da t, il peut a oi fo atio d’un canal dans le marais filtrant créant un court-circuit pou l’ oule e t ui e diffuse plus da s le a ais, e ui att ue so effet (Clément et al. 2009; Es-Salhi et al. 2013).

1.2

Efficacité de capture

Plusieu s auteu s s’e te de t pou di e ue l’effi a it de aptu e des s di e ts EC est u e propriété essentielle à considérer lors de la conception de bassins ou de réservoirs (Heinemann 1981; Verstraeten and Poesen 2000). E e t a t da s u assi , la lo it de l’eau di i ue e aiso de l’ la gisse e t de la su fa e d’ oule e t. Les s di e ts do t la itesse de s di e tatio est plus le e ue la itesse de l’eau peu e t do s di e te . Afi de quantifier la proportion de sédiments retenus dans un bassin, son EC est mesurée.

Il e iste plusieu s faço s de esu e l’EC d’u assi (Brune 1953; Verstraeten and Poesen 2000). Dans tous les cas, la masse de sédiments accumulée dans le bassin (charge accumulée) et la masse totale de sédiments qui transitent dans le bassin (charge totale) pour une période donnée sont nécessaires (Équation 1).

= é (Équation 1)

Ce tai s auteu s o t esu e l’EC a e la ha ge a u ul e et la ha ge a al. Da s e as, la charge totale est mesurée via la somme de la charge accumulée et de la ha ge a al. D’aut es auteurs utilisent la charge accumulée et la charge amont, cette dernière représentant la charge totale. Certains auteurs vont préférer mesurer les charges amont et aval, la charge accumulée étant la différence entre la charge amont et la charge aval. Finalement, les turbidités en amont et e a al d’u assi peu e t être utilisées pour obtenir une mesure indirecte de la charge.

7

1.3

Fa teu s ui influen ent l’effi a ité de aptu e

Figure 1. Facteurs ui i flue e t l’effi a it de capture des bassins de sédimentation. Adaptation de Verstraeten & Poesen (2000).

L’effi a it de aptu e d’u assi est i flue e pa les p op i t s h d auli ues du assi et par certaines propriétés des sédiments qui y transitent (Figure 1).

1.3.1 _{Propriétés des sédiments}

D’a o d, la taille des s di e ts et leu o igi e o ga i ue ou i ale affe te t la itesse de sédimentation. Selon la loi de Stokes, les sédiments plus petits et légers ont une vitesse de chute plus lente dans un fluide. De plus, comme le montre le diagramme de Hjulström (Figure 2)_{, la itesse de l’eau doit t e fai le pou fa o ise la s di e tatio des pa ti ules plus petites} comme la tourbe (Kløve 1997). Les sédiments tourbeux sont relativement moins denses que les s di e ts i au , l’a gile a t pi ue e t u e de sit sup ieu e à . g/ 3 _{alors que celle}

d_{e la tou e d ai e est d’e i o . g/} 3 (Rydin and Jeglum 2006). Les particules de tourbe sédimentent donc plus lentement que les sédiments minéraux et ils ont tendance à être remis e suspe sio lo s ue la itesse de l’eau aug e te (Kløve 1998).

Au fil des a es, u e tou i e est e ploit e de plus e plus p ofo d e t jus u’à ce que la tou e e poss de plus les ualit s e he h es pa l’i dust ie. Dans une tourbière naturelle, le

1

1

1

PROPRIÉTÉS DES SÉDIMENTS PROPRIÉTÉS HYDRAULIQUES

(vitesse de sédimentation) (temps de rétention)

,---J

- Origine des sédiments

LOébit - Surface du bassin

- Volume du bassin - Forme du bassin

1--Forme des canaux

8

tau d’a u ulatio de la tou e est sup ieu au tau de d o positio puis ue le ilieu est acide et anaérobique. La tourbe en profondeur est donc naturellement plus décomposée. Cependant, une tourbière exploitée se dégrade plus _{apide e t. D’a o d, le d ai age a l e} la décomposition de la tourbe puisque le milieu devient aérobie_{, e ui e t ai e l’o datio de} la tourbe. Puis, les herses utilisées pour sécher la couche superficielle de la tourbière abîment les particules de sol. Ces dernières deviennent alors fines et granulaires, elles sont donc plus sensibles _{à l’ osio par le vent et les précipitations (Payette & Rochefort, 2001). L’ helle von} Post est u e esu e ui pe et de d te i e fa ile e t le deg de d o positio d’u sol o ga i ue. L’ helle a ie e t e H et H , H ta t de la tou e non décomposée et H10 de la tourbe très décomposée (von Post, 1922).

1.3.2 _{Propriétés hydrauliques}

Lo s d’ e e ts plu ieu , l’eau s’i filt e da s le sol ass h de la tou i e. L’e de t d’eau d’u e tou i e exploitée uisselle jus u’au a au de d ai age et e tuelle e t, jus u’au assi . Le uisselle e t d’u e tourbière perturbée augmente puisque le sol devient moins perméable (Payette and Rochefort 2001). E effet, l’o datio et la o pa tio de la tou e

Figure 2. La itesse iti ue d’ osio lig e poi till e et de s di e tatio lig e plei e e fo ction de la taille des s di e ts i o ga i ues du lit d’u e i i e. Ti de Hjulst o

100r---r---r---r---~----~--~ TRANSPORT DEPOSITION 0.01 '--_--''-''-_--'-_ _ - 1 -_ _ - ' -_ _ - ' - - _ - - ' 0.001 0.01 0.1 10 100 Granulométrie (mm)

9

suite à l’a aisse e t de la appe ph ati ue alt e t la po osit du d pôt de tou e (Schothorst 1977).

Le te ps de te tio d’u assi est le quotient du volume du bassin sur le débit, soit le temps nécessaire à une molécule _{d’eau pou t a e se le assi . Plus cette variable est élevée,}

eilleu e se a l’EC d’u assi .

Figure 3. Diff e tes o figu atio s de assi s de s di e tatio . Le hiff e de ouleu ep se te l’efficacité hydraulique des bassins. (WSUD 2006)

L_{a taille d’u assi affe te le temps de rétention de ce dernier. Par exemple, un bassin plus} g os pou a a ueilli plus d’eau e u te ps do , so te ps de side e se a do plus grand ue pou u petit assi ui eçoit la e ua tit d’eau (Verstraeten and Poesen 2000). L’effi a it h d auli ue d’u assi (Figure 3, chiffres de couleur) permet de quantifier l’effi a it d’u assi e fo tio de son volume et de sa forme (e.g. rapport longueur/largeur, dispositio de a au , p se e d’o sta les, et . . Cette efficacité représente le ratio entre le temps nécessaire à la concentration maximale pour arriver au bassin et le temps de résidence moyen (Persson et al. 1999). Plus cette valeur est près de 1, meilleure est la capacité du bassin à retenir les sédiments. Ai si, e o pa a t l’effi a it h d auli ue du assi H à celle du bassin B de la figure 3, un ratio longueur-largeur élevé semble avoir un impact positif sur

G

0

~

6

+

+

O

~

+

+

o

~

l

D

0

~

61

+

0

+

O

}

l

t

l'

I

+

+

0

·~

~

11

+

0

~

8

t

_t

O

~

J;

+

10

l’efficacité d’u assi . Le rapport de GEMTEC (1993) recommande dailleurs un ratio minimum de 3 :1 _{afi d’a oi u te ps de side e assez long pour retenir efficacement les sédiments} dans un bassin de rétention municipal. _{La taille et l’e pla e e t des a au e a o t et e} a al d’u assi so t gale e t des fa teu s ui i flue e t le te ps de te tio (Figure 3). De plus, les bassins dont les canaux sont aux extrémités semblent plus efficaces puisque le he i pa ou u pa u e pa ti ule d’eau est a i is Figure 3, bassin B comparé au bassin C). La p se e d’u dispositif de gulatio du d it e a al du assi peut gale e t affe te le temps de rétention. Kløve (2000) a dailleurs _{o se ue l’i stallatio de tu au ui gule t le}

olu e d’eau ui so t e a al d’u assi aug e tait so EC.

1.4

Modélisation de l’effi a ité de aptu e

Le comportement des sédiments minéraux dans un bassin a été largement étudié. Plusieurs fa teu s i flue e t l’effi a it de aptu e d’u assi tel ue p se t à la figure 1.

B o a ta li u e elatio e t e l’EC des assi s et leur ratio Volume – Superficie drainée (ratio V/D) (Équation 2). Cependant, comme critiqué par Brune (1953), cette courbe s’appli ue al au assi s a a t u atio V/D fai le, ’est-à-dire inférieur à 5000 m3

/km2. En effet, deux bassins de régions différentes en termes de précipitations (une région aride contre une région tropicale par exemple) peuvent avoir une efficacité très différente malgré un ratio V/D si ilai e. Il est do d li at d’utilise ette uatio ho s d’u e gio pou laquelle elle a été conçue.

é = ∙ − _{+ . ∙} � (Équation 2)

Où _{ɛ = varie entre 0.046 et 1 selon les caractéristiques du bassin.}

�

� = Volume du bassin/Superficie Drainée (m

3_/km2₎

Brune (1953) a considéré 40 bassins dans son _{a al se afi d’ ta li le fa teu ui ep se te le} ieu l’EC d’u assi de s di e tatio . Il a d te i ue la eilleu e elatio tait e t e l’EC

11

des bassins et leur ratio V/I (Volume du bassin/Inflow). Ce ratio représente le temps de résidence moyen, soit _{le appo t e t e le olu e total d’u assi et la ua tit d’eau ui e t e} dans ce bassin au cours de la saison (Inflow). Plus tard, Morris (1963) a construit une équation à pa ti de l’ tude des assi s de B u e (Équation 3 . Cepe da t, l’ uatio de Mo is ’est valable que pour les bassins dont le ratio V/I est élevé. Heinemann (1981) a donc ajusté cette équation pour 20 bassins plus petits dont la superficie drainée est inférieure à 40 km2 (4000 ha). é = − + � � + �_� (Équation 3) où

sont des pa a t es de l’ uatio e pi i ue ajust s à pa ti des do es p ises su et bassins, respectivement. Bie u’il ep se te u te ps de side e, le ratio Volume du bassin/Inflow (V/I) est exprimé en m3/m3, comme porposé par les auteurs précédents (Heinemann 1981; Verstraeten & Poesen 2000).

1.5

Objectifs

Le premier objectif _{de e oi e est de o pa e l’effi a it de huit assi s de s di e tatio} ayant un dimensionnement et un volume total/superficie drainée différents afin de comprendre les facteurs qui influencent leur efficacité de capture. Ces informations serviront à fou i des outils de o eptio de futu s assi s à l’i dust ie. O peut s’atte d e à e ue su une saison de récolte, les bassins ayant une plus grande capacité de rétention soient plus efficaces (Pavey et al. 2007). On peut aussi _{fai e l’h poth se que pour un bassin donné,} l’effi a it di i ue a au ou s de la saison puisque le volume utile sera amoindri par l’a u ulatio de tou e au fo d de e de ie .

Le deu i e o je tif de e oi e est de o pa e l’effi a it de aptu e de assi s u i ipau t aita t des s di e ts i au à l’effi a it de apture de bassins de

α β

Morris (1963) 0 1 0.012 1.02

12

sédimentation en aval du réseau de drainage de tourbières. Pour ce faire, deux modèles empiriques de dimensionnement de bassins conçus pour sédiments minéraux seront utilisés et une première tentative de calage desdits modèles pour les bassins de rétention de tourbe sera effectuée et comparée aux modèles initiaux

Finalement, deux aspects méthodologiques ont été validés _{da s e oi e. D’a o d, celui de} définir _{u p oto ole d’ ha tillo age d’eau a e u autoéchantillonneur e a al d’un bassin} de s di e tatio afi de ifie la ualit de l’eau en termes de sédiments en suspension lors d’ e e ts de pluie. Le second objectif est de comparer la granulométrie des sédiments en suspension in situ et issus de la calibration des instruments afin de valider la méthodologie utilisée.

13

15

2.1

Sites à l’étude

L’ ha tillo age s’est tal su deu saiso s sa s gla e, soit de jui à o e e et de mai à novembre 2014. Huit bassins de dimensions différentes ont été instrumentés sur des tourbières de trois régions du Québec (Figure 4). Pour des raisons de confidentialité, l’e pla e e t e a t des tou i es e peut t e di ulgu . U assi de s di e tatio a t étudié la première année (bassin B2) et sept bassins la deuxième année. La région R1, dont les précipitations moyennes sur 10 ans entre avril et octobre sont de 569mm (moyenne 10 ans), abritait les bassins B1 à B5. Seul le bassin B6 était dans la région R2 dont les précipitations moyennes sur 10 ans sont de 798mm. Finalement, les bassins B7 et B8 étaient dans la région R3 dont les précipitations moyennes sur 10 ans sont de 774mm.

La plupart des bassins ont des données sans interruption au cours de la saison (Tableau 1). Les bassins B1 et B4 ont des données sans interruption majeure pour presque toute la saison sans glace. Le bassin B3 a été construit au mois de juillet 2014, de sorte que ses données débutent le 08/07/2014. Les bassins B7 et B8 ont également été équipés plus tard au cours de la saison. Le bassin B2 a subi une interruption dans la prise de données entre le 17/07/2013 et le 06/08/2013 puisque la construction de barrages par des castors a inondé le bassin. Le bassin B5 a eu u e i te uptio des do es e t e le / / et le / / puis ue l’e t etie du assi a e ge d u e i po ta te aisse d’eau ui a ass h les i st u e ts de esu e. Qua t au bassin B6, la présence des castors a aussi amené une inondation du bassin entre le / / et le / / , e plus de la d failla e d’u i st u e t e t e le / / et le 07/10/2014. Dans tous les cas, les données entachées de problèmes techniques ont été exclues.

Les dimensions (volume, longueur, largeur et profondeur) des bassins B6, B7 et B8 présentées au tableau 1 ont été fournies par les partenaires industriels _{d’e ploitatio de tou e alo s ue} les dimensions des autres bassins ont été mesurées in situ. Pour ce, la profondeur moyenne (amont, centre, _{a al esu e au ilieu du assi a t ultipli e à l’ai e du bassin. Les} superficies de tourbières drainées ont toutes été fournies par les compagnies.

16

Figure 4. S h a à l’ helle :100) des huit bassins étudiés en vue aérienne. Le ratio longueur/largeur de chaque bassin est indiqué à leur droite.

Figure 5. Photos des bassins étudiés, ormis le bassin B3 qui est similaire aux bassins B1 et B2. Source : Myriam Samson-Dô (sauf B7 : Les Tourbières Lambert, Inc)

IB1) 5.6 _{IB2) 16.4} IB3) 7

---.::;1

1

r

_~

....

---7

<

>

~

1-{

7

H

rr

~

IB7) 5.4 IB8) s.s Légende

r-

~

f-

_I

~ Sens du courant

17

Tableau 1. Pour chaque bassin étudié, les dates d'installation et de retrait des instruments pour la saison 2014 (2013 pour bassin B2), la date de vidange du/des bassin-s, le nombre de jours i lus da s le al ul d’effi a it saisonnière, la superficie drainée, le volume des bassins (cumulé pour les bassins multiples), la taille moyenne des s di e ts e a o t du assi , l’ tat de d omposition de la tourbe (degré von Post), les équations de calibration des ph lo t es et de ta age pou le d it e t a t et so ta t ai si ue les sp ifi it s du assi s’il a lieu.

# D a te d é b u t D a te re tr a it D a te vi d a n ge nb _jours ta il le m o y. se d . V o n Po st Ca li b ra ti o n r 2 Ta ra ge r 2 N o te s 1 14 -m a i 13 -n o v 21 -o ct 182 10 8 a m o n tC SS = 0 ,0 0 0 1 5 4 N TU 1 ,5 9 3 0 ,9 9 d eb it =0 ,2 2 4 x -0 ,0 4 5 0 ,8 9 a va l C SS = 0 ,0 0 0 0 0 0 9 2 5 N TU 2 ,2 8 7 0 ,8 7 d eb it =0 ,2 5 8 x -0 ,0 5 0 1 0 ,9 1 2 13 -m a i 23 -s e p t 31 -m a i 115 44 8 a m o n tC SS = 0 ,0 0 0 2 2 2 N TU 1 ,5 5 6 0 ,9 6 d eb it =0 ,0 8 2 9 x 3 ,4 2 5 1 ,0 0 a va l C SS = 0 ,0 0 4 5 4 N TU 1 ,2 5 4 0 ,9 7 d eb it =0 ,0 7 5 x 1 ,2 6 1 1 ,0 0 3 08 -j u il 13 -n o v -120 351 4,5 a m o n t C SS = 0 ,0 0 5 0 4 N TU 0 ,9 8 d eb it =3 9 0 x 5 ,5 1 4 0 ,9 6 a va l C SS = 0 ,0 0 1 8 1 N TU 1 d eb it =6 8 7 x 8 ,2 5 7 0 ,6 5 4 01 -j u in 13 -n o v 18 -a o û t 158 64 2 a m o n t C SS = 0 ,0 0 2 1 2 N TU 0 ,9 9 d eb it =0 ,7 7 3 x 2 ,3 9 3 0 ,9 4 a va l C SS = 0 ,0 0 1 5 5 N TU 0 ,9 9 d eb it =0 ,9 2 5 x 4 ,8 4 6 0 ,9 5 28 -m a i 29 -o ct 19 -a o û t 112 256 3,5 a m o n tC SS = 0 ,0 0 8 0 9 N TU 1 ,2 7 3 0 ,9 9 d eb it =0 ,1 1 9 x -0 ,0 2 4 0 ,9 7 C SS = 0 ,0 0 0 9 1 5 N TU +0 ,0 9 9 1 C SS = 0 ,0 0 0 0 3 7 1 N TU 1 ,5 1 3 0 ,9 5 a va l C SS = 0 ,0 0 0 0 2 4 5 N TU 1 ,7 7 1 0 ,9 2 d eb it =1 ,0 0 1 x 3 ,5 4 8 0 ,9 5 6 30 -a vr 24 -n o v 21 -a o û t 85 110 6,5 a m o n tC SS = 0 ,0 0 0 0 1 5 7 N TU 1 ,9 0 8 0 ,9 8 d eb it =0 ,8 x 2-0 ,4 1 4 x +0 ,0 5 3 7 0 ,8 7 ca st o rs 2 5 /0 5 a u 0 3 /0 8 . P ro b lè m e te ch n iq u e 2 7 /0 8 à 0 7 /1 0 . a va l C SS = 0 ,0 0 0 0 0 4 9 9 N TU 1 ,7 5 5 0 ,9 8 d eb it =0 ,8 4 4 x 2-0 ,6 6 1 x +0 ,1 2 9 1 ,0 0 Ba ss in m u lt ip le (e n s é ri e ). P o n ce a u x e n a m o n t e t a va l d e s b a ss in s 7 24 -s e p t 05 -n o v 03 -o ct 43 180 4 a m o n tC SS = 0 ,0 0 0 6 1 6 N TU 1 ,3 5 0 ,9 9 d eb it =1 ,6 x 2 -0 ,2 7 8 4 x -0 ,0 0 4 3 6 0 ,9 8 P ro b lè m e t e ch n iq u e ju sq u 'a u 2 4 /0 9 a va l C SS = 0 ,0 0 0 0 3 4 1 N TU 1 ,8 7 7 0 ,9 8 d eb it =8 ,2 x 2-1 ,5 7 1 x +0 ,0 7 7 7 0 ,9 1 8 25 -a o û t 05 -n o v 30 -s e p t 72 a m o n t C SS = 0 ,0 0 5 6 N TU -0 ,0 5 0 ,8 3 d eb it =9 ,4 6 8 1 0 -1 0 ex p 4 3 ,1 2 x 0 ,8 6 Se u il a va l e n ro ch é a va l C SS = 0 ,0 0 4 4 N TU -0 ,0 4 5 0 ,8 1 d eb it =7 ,0 1 9 1 0 -1 0ex p 3 5 ,1 6 x 0 ,9 7 C a st o rs : e n tr e 1 7 /0 7 e t 0 6 /0 8 e t à p a rt ir d e 2 3 /0 9 Ba ss in m u lt ip le (e n p a ra ll è le ). P o n ce a u e n a va l d e s b a ss in s C o u rb e s ca li b ra ti o n a m o n t : é q u a ti o n 1 p o u r tu rb id it é <2 0 N TU , é q u a ti o n 2 p o u r tu rb id it é >5 5 0 N TU e t ré gr e ss io n li n é a ir e p o u r le s va le u rs d e t u rb id it é in te rm é d ia ir e s. Ba ss in p le in d e sé d im e n ts N o u ve a u b a ss in

18

2.2

Efficacité de capture

Les EC des huit bassins de sédimentation ont été comparées_{. L’EC a t esu e à travers la} charge amont et la charge aval (Équation 4, Verstraeten & Poesen 2000). Un bassin ayant une EC sup ieu e à %, ’est-à-dire un bassin qui retient au minimum 75% des sédiments qui y entrent, était considéré comme efficace.

% = × − (Équation 4)

La charge est également une mesure indirecte estimée à partir de la concentration de sédiments en suspension (CSS) et du débit :

= é × _� × � × × × (Équation 5)

où la charge est mesurée en tonnes, le débit en m3/s et la CSS en g/L. Le calcul de la charge est pour un pas de temps de 15 minutes.

2.2.1 _{Estimation du débit}

Les débits dans les canaux amont et aval ont été mesurés _{de faço i di e te à l’aide du i eau} de l’eau. Pou e fai e, u e jauge à i eau HOBO U ± . % , Onset ou KPSI720 (±0.25%),

Measurement Specialities ou Levelogger, Solinst) a été placée dans chaque canal durant toute la

saison. Chaque jauge était ins_{tall e au fo d d’u tu au de PVC percé à sa base sur la longueur} pote tielle e t i e g e et e elopp pa u as de lo afi de laisse e t e l’eau, ais pas les sédiments. Ensuite, dans chaque canal, entre quatre et onze mesures de débits ont été prélevées par la méthode vitesse-su fa e à l’aide d’u lo i t e Marsh McBirney (modèle Flo Mate . Ai si, u e ou e de ta age elatio e t e le i eau de l’eau et le d it a t d elopp e e a o t et e a al de ha ue assi afi d’o te i des aleurs du débit entrant et so ta t d’u assi Figure 6 pour un exemple et Tableau 1 pou les uatio s . L’outil curve

19

d’eau. Cet outil p o de à u ajuste e t non linéaire des paramètres par moindres carrés. Toutes les c_{ou es de ta age so t pla es à l’annexe 1.}

Figure 6. E e ple d’u e ou e de ta age e a al du assi B . Les ou es leues poi till es ep se te t l’i te alle de o fia e à %.

2.2.2 Estimation de la CSS

La CSS a t esu e de faço i di e te à l’aide de ph lo t es (Figure 7). Chaque bassin tait uip d’u ph lo t e da s les canaux amont et aval près du bassin. Ces capteurs taie t atta h s su u e tige e tal au ilieu de la olo e d’eau, le apteu o ie t e s l’a al afi d’ ite so o st u tio pa des d is a e s a e le ou a t. Les ph lo t es étaient tous connectés à des capteurs de données (dataloggers) branchés à une batterie ha g e pa u pa eau solai e f ue e d’e egist e e t / i utes . De plus, ha ue région comptait au moins un pluviomètre à auget basculant branché à ces dataloggers afin d’ alue le olu e de p ipitatio s reçu sur des bases événementielles et saisonnières.

L’u it de esu e du ph lo t e est l’U it de Tu idit N ph lo t i ue UTN . Deu types de néphélomètres ont été utilisés : NEP 390 de Analite (0-3000 UTN) et OBS-3+ de

Campbell scientifique (0-2000/0-4000 UTN et 0-1000/0-2000 UTN). Le néphélomètre mesure la

0,07 0,06 0,05 ,

-

•

,

/

'

•

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

.

•

,

,

,

,

20

turbidité de façon indirecte via le rapport des rayons émis et captés suite à la rétrodiffusion des rayons sur les particules en suspension. Ainsi, plus la concentration en sédiments est élevée, plus la aleu de UTN est le e jus u’à l’attei te d’u e tai seuil .

Figure 7. Néphélomètres utilisés. (a) NEP 390 de Analite et (b) OBS-3+ de Campbell scientifique

La calibration des néphélomètres consiste à convertir les valeurs de turbidité enregistrées (UTN) en CSS (mg/L). En effet, la relation étroite entre la variation de la turbidité et de la CSS a été démontrée (Davies-Colley & Smith 2001). Cependant, le type de sédiments, la couleur de l’eau ai si ue la taille, la ouleu et la fo e des s di e ts i flue e t la t odiffusio des a o s Ma uel de l’OBS + et Lawler 2005). Cha ue ph lo t e a do t ali a e l’eau et les sédiments propres au site. La technique la plus efficace consiste à calibrer le ph lo t e à pa ti d’ hantillons ponctuels in situ filtrés (Minella et al. 2007). Cependant, il est difficile, voire logistiquement impossible, de calibrer chacun des néphélomètres de cette faço ta t do le d fi ue ep se te la p ise d’ ha tillo s à ha ue site du a t les événements de turbidité élevée. Une calibration a donc été complétée en suivant le protocole décrit par Pavey et al. (2007)_{. Il s’agit d’i e ge la so de da s u olu e d’eau p le au site} d’ ha tillo age, o te u da s u la ge a de plasti ue opa ue e a iant la CSS. Ce bac est d’a o d e pli a e l’eau du assi de s di e tatio et le ph lo t e tait i stall de façon à ce que le capteur soit orienté vers le centre. Des sédiments accumulés au fond du canal ou du bassin étaient graduellement ajoutés a_{u a afi de fai e aug e te la tu idit de l’eau.} A a t d’ t e i o po s au a , les s di e ts taie t ta is s pou e eti e les pa ti ules ayant un diamètre plus grand que 2 mm. En effet, selon le diagramme de Hjulstrom (1935) de la

21

figure 2_{, il faut u e itesse d’e i o 0.3 m/s pour que les sédiments supérieurs à 2 mm soient} remis en suspension. Or, les pentes des canaux de drainage et des bassins de rétention sont trop faibles _{pou ue l’eau atteig e cette vitesse. De plus, ces travaux ont montré que la taille} des particules en suspension est inférieure à 2 mm pour tous les bassins étudiés. L'inclusion de sédiments de diamètre supérieur à 2 mm biaiserait donc les courbes de calibrations. Finalement, entre chaque ajout de sédiments, un échantillon de 0,125L (CSS élevées) à 1,0L (CSS faibles) était récolté (n=20) et la turbidité détectée par le néphélomètre était notée. Tout au long du processus, les sédiments étaient maintenus en suspension par agitation manuelle.

Au laboratoire, chaque échantillon était filtré sur des filtres de fibre de verre (porosité = 1µm) préalablement pesés (précision ± 0.00001g). _{Lo s ue possi le, tout l’ ha tillo tait filt .} Autrement, deux ou trois sous-échantillons étaient filtrés et leurs résultats étaient moyennés. Le volume filtré était pesé (précision ± 0.1g) afin de convertir son poids en volume (1mg = 1mL) et le filtrat était séché sur le filtre en étuve à 70°C durant un minimum de 12h. Des valeurs de CSS ont ainsi été obtenues en faisant le rapport du poids sec des sédiments et du volume filtré. Une courbe de calibration de la CSS (mg/L) en fonction de la turbidité (UTN) a ainsi été adaptée à chaque néphélomètre (Figure 8). Toutes les courbes de ali atio so t p se t es à l’annexe 2.

Figure 8. E e ple d’u e ou e de ali atio d’u néphélomètre (NEP390 Analite) au bassin B4 aval. Les courbes leues poi till es ep se te t l’i te alle de o fia e à %.

/ 0 / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / ° / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / -/ / 2 1.5 1 0.5 / / 0/ / / 0/ / / / 0/ / / / 0/ / o~~'~---~c---c~c---c~ o 500 1000 1500 Turbidité (NTU)

22

2.3

Fa teu s ui influen ent l’effi a ité de aptu e

2.3.1 _{Propriétés des sédiments}

Le degré von Post (Tableau 1) de la tourbière drainée par chaque bassin a été déterminé par les partenaires industriels, excepté pour les bassins B7 et B où es i fo atio s ’ taie t pas disponibles. Suivant les descriptions au tableau 2, le degré von Post de la couche superficielle (trois premiers centimètres) de ces deux tourbières exploitées a été évalué.

Tableau 2. Définitio des lasses de l’ helle on Post. (tiré de Payette & Rochefort 2001)

Classe Indice Description

Fi bri que H1 Tourbe non décomposée qui, lorsqu'on la presse dans la main, libère une eau presque limpide. Les résidus de plante sont facilement identifiables. Ne contient aucun matériel amorphe.

H2 Tourbe qui n'est pratiquement pas décomposée et qui, lorsqu'on la presse dans la main, libère une

eau très peu colorée (brune-jaune). Les résidus de plante sont encore facilement identifiables. Ne contient aucun matériel amorphe.

H3 Tourbe très peu décomposée qui, lorsqu'on la presse dans la main, libère une eau trouble de couleur

brune pâle. Aucun matériel ne s'échappe entre les doigts. Les rédisus de plante sont encore identifiables. Ne contient aucun matériel amorphe.

Més i que H4 Tourbe peu décomposée qui, lorsqu'on la presse dans la main, libère une eau trouble de couleur brune foncée. Quelques particules de matériel passent entre les doigts et le matériel pressé qui reste dans la main est légèrement collant. Les résidus de plante sont encore identifiables, quoique certains critères d'identification aient disparus.

H5 Tourbe décomposée qui, lorsqu'on la presse dans la main, laisse échapper une eau très trouble

chargée de particules organiques. Le matériel pressé qui reste dans la main est collant. La structure des résidus de plantes est assez distincte.

H6 Tourbe plutôt décomposée dont il est difficile de reconnaître la structure des constituants. Lorsqu'on

la presse dans la main, environ un tier du matériel s'échappe d'entre les doigts. Il y a très peu d'eau libre, laquelle est boueuse. Ce qui reste dans la main est assez collant mais l'identification des constituants se fait plus facilement qu'avant le pressage.

Humi que H7 Tourbe décomposée dont il est difficile de reconnaitre la structure des constituants. Lorsqu'on la presse dans la main, environ la moitié du matériel passe entre les doigts. L'eau, s'il y en a, est très boueuse.

H8 Tourbe très décomposée dont il est fort difficile de reconnaître la structure des constituants.

Lorsqu'on la presse dans la main, environ les deux tiers du matériel passent entre les doigts. Ce qui reste dans la main est principalement constitué de racines et de fibres qui résistent à la

décomposition.

H9 Tourbe presque entièrement décomposée dont il n'est presque plus possible de reconnaître la

structure des constituants. Lorqu'on la presse dans la main, presque tout le matériel s'échappe entre les doigts sous forme de boue.

H10 Tourbe complètement décomposée dont la structure des constituants est indiscernable. Lorsqu'on la

23

La g a ulo t ie des s di e ts e suspe sio da s l’eau a t a al s e pour chaque bassin à l’aide d’u e ta iseuse au lase Be k a Coulte LS 320; LS Particule Size Analyzer). Cet instrument traite des échantillons en solution dont la taille des sédiments est inférieure à 2 mm (sable grossier) et dont la concentration est _{suffisa te, ’est-à-dire un pourcentage} d’o s u atio i i u de %. U histog a e de la dist i utio des tailles de s di e ts o te us da s ha ue ha tillo est p oduit pa l’appa eil e e ple do à la Figure 9). Les échantillons in situ _{o t t olt s lo s d’ e e ts plu ieu et o t t o e t s pa} d a tatio a a t l’a al se. Jus u’à t ois ha tillo s d’eau o t t a al s s pou ha ue bassin et lorsque possible, deux sous- _{ha tillo s d’u e ha tillo d’eau o t t} analysés.

Les échantillons issus de la calibration des néphélomètres ont également été analysés par la tamiseuse au laser afin de les comparer à la granulométrie des sédiments en suspension in situ. Minella et al. (2007) a montré que la méthode utilisée pour la calibration décrite précédemment peut engendrer une surestimation de la CSS. La charge sédimentaire pourrait do t e su esti e, ’est pou uoi l’ a t a t ua tifi .

Figure 9. E e ple d’u histog a e de la dist i utio des tailles de s di e ts d’u ha tillo e fo tio de la fraction du volume occupée par chaque taille de sédiments. Figure fournie par la tamiseuse au laser.

•

.,

,

l

'

•

,

4

rIJIIlh.

.

:".

""

...

...

"'"

CMaUIICn lIlIm 0.37$ "",ID 2000 \oII!I

""'m"

...

H""

""""

...

,

.",

-

-

'''"m

,,

-

..-

..

'"

...

"

....

.""

24

En parallèle, la moitié de ces échantillons était filtrée (pores 1µm), séchée, pesée et brulée à 500°C afin de déterminer le pourcentage en matière organique (M.O.). En effet, certains canaux de d ai age atteig e t le su st at i al, l’ osio pa l’eau peut donc transporter des s di e ts i au jus u’au assi . Éta t plus de ses ue la tou e, es s di e ts i au peuvent affecter la vitesse moyenne de sédimentation et conséquemment, influencer la charge sédimentaire.

2.3.2 _Hydrologie

Le d it à l’a o t d’u assi affe te so EC puis ue le olu e d’eau ui t a site t a spo te des sédiments en suspension. Cependant, puisque des problèmes techniques durant l’ ha tillo age de certains bassins ont occasionné des manques dans les données de débit, la quan_{tit d’eau ui e t e da s ha ue assi au ou s de la saiso a t esti} e à partir des précipitations totales de la saison (Psaison, Équation 6) et d’u fa teu d’ajuste e t ui

représente le ruissellement (∫ �é��� ). La fraction des précipitations totales qui ruisselle vers le bassin de sédimentation a été estimée sur une période commune (6 août au 5 novembre). Pour ce faire, la somme des précipitations de cette période commune (Pcommun) ainsi que la quantité

d’eau e t a t dans le bassin (∫dé it) durant cette période commune ont été utilisées.

� = ∫ é ∗ (Équation 6)

où

∫dé it = olu e d’eau esu ui t a site da s u assi entre le 06/08 et le 05/11 (m3₎

Pcommun = précipitations sur la tourbière entre le 06/08 et le 05/11 (m)

Psaison = précipitations sur la tourbière pour la saison sans glace (avril à octobre) (m)

Afi de o pa e l’inflow des différents bassins, le temps de résidence moyen (ratio Volume du bassin-Inflow ou ratio V/I) a été calculé pour chaque bassin. Un bassin ayant un ratio V/I i f ieu à a u olu e d’eau e t a t a uel plus g a d ue so p op e olu e.

25

2.3.3 _{Propriétés du bassin et des canaux}

Tous les bassins étudiés sont creusés dans la tourbe (Figure 10). Seul le bassin B8 a été o pl te e t e o h . Afi de o pa e l’i pa t u’a le olu e total des assi s su l’effi a it , le ratio Volume du bassin-Superficie drainée (ratio V/D) de chacun a été calculé.

Cependant, peu importe la taille du bassin, le volume utile diminue au fur et à mesure que les s di e ts s’a u ule t. La f ue e d’e t etie du assi affe te do so EC e a i isa t son volume utile, mais également en évitant la remise en suspension des sédiments du dépôt de tou e a u ul au fo d du assi . E effet, lo s d’ e e ts de pluie, le d it et la vitesse d_{’ oulement augmentent dans les bassins, ce qui peut engendrer la resuspension des} sédiments déposés_{. L’ olutio du dépôt de sédiments da s les assi s ’a epe da t pas t} prise en compte de manière explicite dans cette étude.

La forme de tous les bassins est rectangulaire, cependant _{deu d’e t e eux sont multiples : dans} le cas de B4, les deux bassins sont en parallèle (Figure 4), alors que pour B6, trois bassins sont disposés en série (Figure 4. De plus, les assi s B , B et B so t u is d’u g ote tile su e g te du pe pe di ulai e e t au ilieu du assi afi de dui e la lo it de l’eau dans le bassin et de retenir les particules pour ainsi favoriser la sédimentation (Figure 10 (d)).

Comme les bassins, les canaux en amont et en aval sont tous creusés dans la tourbe et parfois da s l’ho izo i al sous-jacent. Certains bassins ont des dispositifs qui régulent la quantité d’eau ui e t e ou so t du assi . Le assi B est u i d’u po eau à l’e utoi e et le assi B6 est u i d’u po eau à so e t e et sa so tie Figure 10 (b)). Les ponceaux permettent de gule le d it e p iode de ue. Les assi s B et B o t des seuils à l’e utoi e de so te ue l’eau e peut s’ oule ho s du assi u’u e fois u i eau d’eau i i u attei t Figure 10 . De plus, e p se e d’u seuil, seule la ou he supe fi ielle d’eau s’ oule ho s du assi . Cepe da t, alg la p se e d’u seuil, l’eau s’est oul e e a al du assi B durant toute la saison 2014 car le niveau minimum était toujours atteint. Quant à la disposition des canaux

26

l’u pa appo t à l’aut e, les a au a o t et a al so t is-à- is l’u de l’aut e pou tous les bassins.

Figure 10. a S h a d’u e ue t a s e sale d'u assi de s di e tatio , po eau en aval bu bassin B6, (c) seuil du canal aval B8 et (d) un géotextile tendu perpendiculairement au centre du bassin B1. Photos par Myriam S-D

Finalement, le temps de résidence minimum _{a t al ul à l’aide du d it de poi te Q}max) de

la saison et du volume du bassin (V) :

é = � (Équation 7)

2.3.4 _Analyses

Au fi al, l’EC est o pa e aux ratios V/D et V/I, au temps de résidence minimum, à la superficie de tourbière drainée, à la taille moyenne des sédiments, au degré von Post et au pou e tage de ati e o ga i ue da s les s di e ts. L’o je tif est d’ ta li les di e sio s minimales pour la conception de futurs bassins et de déterminer les propriétés des sédiments

ui affe te t le plus l’EC.

la)

(anal amont

Sens du courant)

Canal aval

27

2.4

Modélisation empirique de l’effi a ité de aptu e

Afi de p di e l’EC d’u futu assi de s di e tatio durant la phase de conception, deux modèles empiriques ont été testés : Heinemann (1981, Équation 3) et Brown (1943, Équation 2 . Les pa a t es de es od les o t t esti s à pa ti de l’EC des huit bassins (n=8).

Les bassins étudiés par Heinemann (1981) avaient un volume entre 3 m3 et 3968 m3 et drainaient une superficie entre 0.1 km2 et 36.3 km2 (10 ha et 3630 ha). Dans tous les cas, les assi s tudi s t aitaie t p i ipale e t des s di e ts d’o igi e i ale. Da s la p sente tude, l’ uatio de Heinemann (Équation 3) a été testée avec des bassins qui drainent des sédiments tourbeux (organiques). Leur volume varie entre 161 et 1658 m3 et la superficie drainée entre 0.23 km2 et 66 km2 (23 ha et 66 ha).

Bie ue l’ uatio de B o ui et e elatio le atio V/D et l’EC (Équation 2) soit critiquée par Brune (1953), elle a été testée avec les bassins étudiés. En effet, _{l’auteu soutient} ue ette elatio s’appli ue al au assi s do t le atio V/D est i f ieu à 3_/km2 _en

aiso de l’h d ologie a ia le e t e les gio s ui affe te da a tage les petits assi s. Les bassins utilisés par Brown avaient un ratio V/D entre 500 et 140000 m3/km2 alors que ceux étudiés dans nos travaux ont un ratio V/D compris entre 705 et 4170 m3/km2, correspondant ainsi à la plage inférieure des bassins précédemment étudiés. Cependant, dans la présente étude, _{tous les assi s d ai e t l’eau de tou i es e ploit es. Par conséquent, les processus} hydrologiques régissant le ruissellement drainé vers les bassins de sédimentation devraient être si ilai es. Da s les deu as É uatio et , les pa a t es o t t odifi s à l’aide de l’outil

Curve fitting du logiciel Matlab. Cet outil utilise la méthode non linéaire des moindres carrés

pour estimer les paramètres des équations semi-empiriques des deux modèles.

2.5

_{Qualité de l’eau}

Pou l’i dust ie, le sui i des o e t atio s de solide e suspe sio pa u ph lo t e is ue d’ t e t op o ple e pou t e appliqué à tous les bassins puisque cet instrument nécessite

28

une calibration et un entretien hebdomadaire. Actuellement, chez les opérateurs, la CSS est esu e à l’aide de uel ues ha tillo s olt s po tuelle e t da s le a al e a al des bassins de sédi _{e tatio , o l’eau de d ai age se ha ge de s di e ts su tout du a t les} e e ts de pluie. Il est do i po ta t de sui e l’ olutio de la o e t atio de sédiments en suspension en aval des bassins de sédimentation _{lo s d’ e e ts plu ieu .} Pour ce faire, des autoéchantillonneurs (AE) ont été déployés. Le compartiment inférieur de ces instruments contient 24 bouteilles (Figure 11 (b)) dans les _{uelles les ha tillo s d’eau de} L so t d pos s. Le fluide e t e pa u e p ise d’eau i stall e da s la olo e d’eau. Cette de i e est o e t e à u tu au ui a he i e l’ ha tillo jus u’à u e outeille. La o sole de l’AE est eli e à u a uisiteu de do es da s le uel la f ue e d’ ha tillo age et le d le he e t de l’AE so t p og a s. Diff e tes f ue es d’ ha tillo age o t t testées (0h45, 1h, 1h30 et 2h) afin de déterminer laquelle représente le mieux la progression de la CSS _{au ou s d’u e e t plu ieu . Suite à l’ ha tillo age, les outeilles so t} e pla es et leu o te u est filt afi de d te i e leu CSS. Du a t l’ ha tillo age, l’a uisiteu de do es e egist e la p og essio de la tu idit f ue e minutes) afin de la o pa e à la p og essio de la CSS des ha tillo s de l’AE.

En 2013, l’AE tait d le h a uelle e t à l’app o he d’u e e t de pluie. U e amélioration a été apportée au protocole pour la saison 2014 : l’ l atio du i eau de l’eau suite à une précipitation importante était détectée par une jauge à niveau installée dans le

a al, e ui e le hait la p ise d’ ha tillo s pa l’AE.

Figure 11. Auto-échantillonneur (a) vue d'ensemble de l'instrument et (b) compartiment inférieur avec les bouteilles. Images tirées du guide utilisation PVS4100/4120/4150 Portable Samplers par Campbell Scientific.

29

Afin de tester si la différence entre les valeurs _{o e es des deu thodes d’ ha tillo age} (AE et néphélomètre) est statistiquement significative, une analyse de variance non-paramétrique a été appliquée aux données (test de Kruskall-Wallis).

31

3

RÉSULTATS