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Développement et analyse d'une méthode de cartographie de la submersion côtière dans l'estuaire et le golfe du Saint-Laurent, Qc

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Didier, David (2020). Développement et analyse d'une méthode de cartographie de la submersion côtière dans l'estuaire et le golfe du Saint-Laurent, Qc. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de biologie, chimie et géographie, 318 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: Les événements de submersion sont en augmentation sur les côtes du fleuve Saint-Laurent en raison des tempêtes, de la hausse du niveau marin et de la diminution de la glace de mer. À ce jour, le Québec ne possède pas de zonage de la submersion. Dans le cadre de cette thèse, une approche de cartographie de la submersion est développée en intégrant les vagues, les niveaux d'eau et la morphologie des plages de l'estuaire et du golfe du Saint-Laurent (EGSL). Deux types d'approches cartographiques ont été comparés : la simulation empirique qui projette un niveau total statique sur le territoire (niveau d'eau observé + effet des vagues sur la côte, le jet de rive ou runup), et le modèle numérique XBeach en mode surfbeat. Ces deux approches nécessitent une surface topo-bathymétrique précise et actualisée de la plage. Grâce au développement d'un réseau de suivi des plages par vidéo, nous évaluons dans un premier temps l'efficacité d'une méthode de topographie intertidale par vidéo par rapport à des levés LiDAR terrestres, et améliorons sa performance en intégrant les niveaux d'eau près de la plage au module d'élévation des lignes d'eau. Ce projet a permis la création de surfaces topographiques à précision centimétrique comparable au LiDAR et d'y extraire des paramètres morphologiques, comme la pente de la plage, nécessaire aux modèles empiriques de niveaux d'eau. La capacité des deux approches de cartographie à simuler la submersion du 6 décembre 2010 au Bas-Saint-Laurent a ensuite été analysée en comparant les surfaces inondées. La correspondance spatiale entre les simulations et les observations de submersion a été évaluée. Il en ressort que malgré la complexité du modèle XBeach et une légère surprédiction du modèle empirique (36%), les surfaces submergées obtenues par les deux approches sont similaires et correctement prédites à hauteur de 66-78%. Dans le cadre d'une troisième étude, XBeach a également été utilisé dans la baie des Chaleurs pour évaluer l'impact d'un événement extrême pour l'horizon 2100 sur l'aléa de submersion. Les simulations montrent que les débordements côtiers ont été engendrés par des vagues de relativement faible amplitude à la côte (Hs < 1 m) et que malgré des profondeurs d'eau avoisinant 1,2 m, des vitesses de courants élevées se sont produites dans les espaces urbanisés (U > 2 m/s). L'analyse de la cartographie de la submersion à Maria suggère qu'en 2100, l'impact de la hausse du niveau marin sur les communautés riveraines du Saint-Laurent pourrait provoquer des submersions plus vastes avec des profondeurs d'eau et vitesses de courants plus élevées, ce qui pourraient intensifier l'aléa auquel fait face la population. Même si les simulations numériques permettent de comprendre comment les phénomènes physiques engendrent la submersion, l'intérêt de la méthode statique réside dans sa rapidité d'application, mais son efficacité est fonction de la validité et l'applicabilité des modèles empiriques de runup utilisés. Ainsi, le dernier volet de la thèse porte sur le paramétrage d'un modèle empirique de runup adapté à l'EGSL. L'observation du runup (et de ses composantes moyenne et haute fréquence, le setup et le swash) par vidéo réalisée sur 5 plages couvre un large spectre de paramètres environnementaux et de types de côte sur une période de 3 ans. Des analyses de corrélation entre les niveaux d'eau à la côte et les caractéristiques de vagues au large et la pente de plage ont été réalisées. Les résultats montrent que l'influence des paramètres hydrodynamiques sur le runup, setup, et swash est paramétrée de façon similaire. Le rôle de la morphologie de la plage sur le setup est par ailleurs paramétré par une fonction inverse de la pente, alors que le swash est fonction de la racine carrée de la pente. Avec une erreur moyenne de 23 cm et un biais de 2 cm, l'équation de runup proposée offre un fort potentiel d'estimation des niveaux d'eau totaux sur les environnements côtiers diversifiés à fetch limité. Les résultats de la thèse montrent qu'il apparaît pertinent d'utiliser une approche statique p ur identifier les zones les plus vulnérables à la submersion, en autant que l'équation utilisée soit validée sur le type d'environnement en question. En combinant cette approche à des modélisations numériques en zones à forte concentration d'enjeux, il sera possible d'instaurer un premier zonage de la submersion au Québec. -- Mot(s) clé(s) en français : Cartographie de la submersion, Runup, Topographie par vidéo, Vagues infragravitaires, XBeach. -- ABSTRACT: Coastal flood events are increasing on the shores of the St. Lawrence River due to storms, rising sea levels and decreasing sea ice. To date, the province of Québec does not have a coastal flood mapping guideline. In this thesis, a coastal flood mapping approach is developed by integrating waves, water levels and beach morphology of the Estuary and Gulf of St. Lawrence (EGSL). Two types of cartographic approaches were compared: the empirical simulation that projects a static total level overland (observed water level + wave effect on the coast, known as wave runup), and the numerical model XBeach in surfbeat mode. These two approaches require a precise and updated topo-bathymetric surface of the beach. Through the development of a shore-based video monitoring network, we first evaluate the effectiveness of a video intertidal topography method against terrestrial LiDAR surveys, and improve its performance by integrating water levels near the beach as a proxy to beach contour elevetion. This project enabled the creation of centimeter-scale topographic surfaces comparable to LiDAR and the extraction of morphological parameters, such as the beach slope, necessary for empirical runup models. The ability of both mapping approaches to simulate the flood of December 6, 2010 in Bas-Saint-Laurent was analyzed by comparing flooded areas. Spatial correspondence between simulations and the observed flood extent was evaluated. Despite the complexity of XBeach and a slight over-prediction of the empirical model (36%), the flooded areas obtained by the two approaches are similar and correctly predicted by 66-78%. In a third study, XBeach was also used in the Chaleur Bay to assess the impact of an extreme event for the 2100 horizon on coastal flood hazards. The simulations show that the overland flow was generated by waves of relatively low amplitude at the coast (Hs <1 m) and that despite water depths close to 1.2 m, high current velocities occurred in the urbanized areas (U> 2 m/s). The analysis of the flood maps in Maria suggests that by 2100, the impact of sea level rise on coastal communities in the St. Lawrence could lead to larger flooded areas, with deeper water depths and higher flow velocity, intensifying the risk to the population. Although numerical simulations offer an understanding of the physical phenomena that cause coastal flooding, the interest of the static method lies in its convenience, but its effectiveness depends on the validity of the empirical runup models employed. Thus, the last part of the thesis deals with the parameterization of an empirical runup model in the EGSL. Video-based wave runup observations (and of its mean and high frequency components, setup and swash, respectively) on 5 beaches was carried out on a broad spectrum of environmental parameters and coast type over a period of 3 years. Correlation analyzes between coastal water levels (runup, setup, and swash) and offshore wave characteristics and beach slope were performed. The results show that the influence of the hydrodynamic parameters on wave runup, setup, and swash is similarly parameterized. The role of the morphology of the range on the setup is however parameterized by an inverse function of the slope, while the swash is a function of the square root of the slope. With an average error of 23 cm and a 2 cm bias, the original runup equation offers a high potential for estimating total water levels over diverse fetch-limited coastal environments. This thesis shows that it seems appropriate to use a static approach to identify the areas most vulnerable to coastal flooding, as long as the equation used is validated on the specific coastal environment. By combining this approach with numerical modeling in coastal hotspots with multiple issues at stake, it will be possible to introduce a first coasta flood zoning in the province of Québec. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Coastal flooding, Runup, Video-derived topography, Infragravity waves, XBeach.

Type de document : Thèse ou Mémoire (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : Bernatchez, Pascal
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse : Dumont, Dany
Information complémentaire : Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en sciences de l'environnement en vue de l'obtention du grade philosophiæ doctor (Ph.D).
Mots-clés : Cartographie Ondes de tempête Inondations Littoral Estuaire du Saint-Laurent Golfe du Saint-Laurent Topographie Submersion côtière
Départements et unités départementales : Département de biologie, chimie et géographie > Biologie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 17 août 2021 15:13
Dernière modification : 17 août 2021 15:13
URI : http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1840

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