Installation de marégraphes, collecte et traitement de données de niveaux d eau et mesures géodésiques au Nunavik

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1 Installation de marégraphes, collecte et traitement de données de niveaux d eau et mesures géodésiques au Nunavik

2 Contexte général Réchauffement de température anticipé entraîne la fonte des glaciers et l expansion thermique des océans qui contribuent à la hausse du niveau de la mer (IPCC, 2013). Les zones côtières sont particulièrement sensibles aux impacts des changements climatiques, notamment dans le nord du Québec (Ouranos, 2010). IPCC (2013) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Working Group I contribution to the IPCC Fifth Assessment Report (WGI AR5) Ouranos (2010) Savoir s adapter aux changements climatiques, Montréal, Qc, Canada 128 p.

3 Projet de recherche de Transport Québec «Changements climatiques et infrastructures maritimes du Nunavik Impacts et Adaptation» élaboré et dirigé par le Bureau de la coordination du Nord-du-Québec du Ministère des Transports du Québec Étudier la vulnérabilité des infrastructures maritimes du Nunavik aux changements climatiques : Programme de mesures géodésiques et de suivi des niveaux d eau Durée de trois ans Identifier les solutions d adaptation pour les infrastructures maritimes des 14 villages nordiques du Nunavik, qui pourraient être vulnérables dans un contexte de changements climatiques afin de les maintenir sécuritaires et pérennes Source :

4 Contexte du projet Mandat d Environnement Illimité : «Acquisition et installation de marégraphes, collecte de données et arpentage» Achat d équipement (instrumentation, mouillages); Installation de marégraphes et de baromètres; Rattachement des marégraphes; Mesures statiques à l aide de GPS de précision en vue du suivi du relèvement isostatique; Implantation de repères complémentaires le cas échéant; Maintenance, suivi et récupération des équipements (2010, 2011, 2012); Vérification et traitement des données sur une fréquence annuelle; Rapport annuel de suivi; Analyse harmonique des niveaux d eau.

5 Objectifs généraux Données marégraphiques : Propriétés de Transport Québec; Intrants aux efforts de modélisation de la propagation des ondes de tempêtes; Définition des niveaux moyens aux différents villages étudiés; Validation des tables de marées existantes pour ces régions; Étude des surcotes et décotes.

6 Objectifs généraux Données GPS de précision : Propriétés de Transport Québec; Implantation de nouveaux repères de grande précision et validation de repères anciens ; Suivi du relèvement isostatique ; Aide à la définition du nouveau système de référence : NAD83 SCRS V5 Ellipsoïde NAD83 (GRS-80, WGS84) Géoïde CGG2005NAD83

7 Zone d étude

8 Activités en 2009 Campagne : 15 jours (23 sept au 7 oct 2009) Visite de 4 sites : Umiujaq, Ivujivik, Kangiqsujuaq et Quaqtaq Après une sélection parmi les sept villages devant être instrumentés À chaque village : Installation de deux marégraphes et d un baromètre; Rattachement du niveau d eau et mesure de profils CTP (conductivité, température, profondeur); Occupation de trois repères en mode GPS statique (>48 hres) 2 nde visite au site d Umiujaq nov : Rattachement de marée avant la prise des glaces pour vérification

9 Activités en 2010 Campagne : 30 jours (15 août au 23 sept 2010 avec intermède de 11 jours du 3 au 14 sept) Visite des quatre villages déjà instrumentés : Entretien des mouillages et récupération des données, Rattachement du niveau d eau et mesure de profils CTD; Occupation de trois repères en mode GPS statique (>48 hres) Instrumentation des 3 autres villages : Kuujjuaq, Akulivik et Puvirnituq 2 nde visite au site de Kangiqsujuaq oct : Recherche d un marégraphe non récupéré et installation d un nouveau marégraphe de remplacement

10 Activités en 2011 Campagne : 31 jours (22 août au 21 sept 2011) Visite des sept villages : Entretien des mouillages et récupération des données, Rattachement du niveau d eau et mesure de profils CTD; Occupation de trois repères en mode GPS statique (>48 hres)

11 Activités en 2012 Campagne : 27 jours (20 août au 15 sept 2011) Visite des sept villages : Récupération des mouillages et récupération des données; Rattachement du niveau d eau et mesure de profils CTD; Occupation de trois repères en mode GPS statique (>48 hres); Démantèlement et retour de tout le matériel

12 Matériel et instrumentation Marégraphes, baromètres et profileur CTD : Marégraphes submersibles RBR TGR-2050 : enregistrement de la pression absolue Baromètres RBR DR-1050 : enregistrement de la pression atmosphérique Profileurs CTD RBR XR-620 : enregistrement de la Conductivité (salinité), Température et Profondeur dans la colonne d eau

13 Matériel et instrumentation Certificats de calibration fournis par le constructeur RBR Ltd. Tests de performance réalisés sur les instruments avant chaque installation Configuration des marégraphes : fréquence de lecture : 1 Hz ; période de lecture : 15 min ; calcul de la moyenne : période de 1 min

14 Matériel et instrumentation Tests de performance sur les marégraphes Inter-comparaison avant chaque installation

15 Mouillage des marégraphes Structure de protection du marégraphe TGR-2050

16 Mouillage des marégraphes Représentation schématique d un mouillage

17 Mouillage des marégraphes

18 Mouillage des marégraphes

19 Localisation des instruments et repères Village de Umiujaq (instrumenté en 2009) 2 marégraphes 3 repères 2 nouveaux implantés 1 baromètre

20 Localisation des instruments et repères Village de Puvirnituq (instrumenté en 2010) 2 marégraphes 3 repères 3 nouveaux implantés 1 baromètre

21 Localisation des instruments et repères Village de Akulivik (instrumenté en 2010) 2 marégraphes Aku-02 non récupéré en repères 2 nouveaux implantés 1 baromètre

22 Localisation des instruments et repères Village de Ivujivik (instrumenté en 2009) 2 marégraphes Ivu-04 déplacé accidentèlement sur une période de 12 j en juil repères 3 nouveaux implantés 1 baromètre

23 Localisation des instruments et repères Village de Kangiqsujuaq (instrumenté en 2009) 2 marégraphes Kan-03 non récupéré en 2010 remplacé par Kan-02 Kan-01 non récupéré en 2012 et déplacé accidentèlement en nov repères 2 nouveaux implantés 1 baromètre

24 Localisation des instruments et repères Village de Quaqtaq (instrumenté en 2009) 2 marégraphes 3 repères 2 nouveaux implantés 1 baromètre

25 Localisation des instruments et repères Village de Kuujjuaq (instrumenté en 2010) 2 marégraphes non récupérés en 2011 pas de données 3 repères 3 nouveaux implantés 1 baromètre

26 Installation : rattachement Instrument : niveau automatique LEICA DNA03 précision de 1 mm par kilomètre de nivellement double (aller-retour) tous les cheminements ont été faits en aller-retour de manière à calculer leur fermeture Rattachements réalisés : À l installation À la récupération

27 Installation : rattachement Mesures du niveau d eau pour rattachement marégraphique : Période : 3 heures, centrée sur la marée haute Fréquence : 5 minutes

28 Installation des baromètres Installation d un baromètre à l aéroport de chaque village Rattachement géodésique des baromètres : Élévation des baromètres mesurée à chaque site à partir d un point temporaire situé à l extérieur de l aéroport; Positionnement en élévation du point à l aide du GPS en mode RTK; Rattachement à l intérieur de l aéroport à l aide du niveau électronique

29 Installation des baromètres baromètre d Environnement Canada disponible pour comparaison : les séries temporelles relevées manuellement intervalle minimal de 1 heure généralement disponibles durant la journée seulement

30 Instrumentation relevés géodésiques Station GPS : Stabilisée et ancrée au sol (vents de 80 km/h) 3 mesures de la hauteur Avant et après Validation des données Durée d enregistrement (>24 hres) Récepteur Trimble 5700 ou R7 : 24 canaux bi-fréquence L1/L2 Mode statique Période 2 fois 24 heures sans réinitialisation Antenne Trimble Zephyr Geodetic

31 Relevés géodésiques Utilisation des 3 mêmes repères par village et des mêmes configurations des récepteurs pour les 4 campagnes de suivi Installation de nouveaux repères (points d appui) et validation des repères existants

32 Traitement des données Baromètres Vérification du nombre d enregistrements Vérification de la dérive de l horloge : cohérente avec les spécifications de l instrument et négligeable Comparaison avec les données locales provenant d Environnement Canada Marégraphes Vérification du nombre d enregistrements (prévu vs obtenu) Vérification de la dérive de l horloge : cohérente avec les spécifications de l instrument et négligeable Validation du signal pour détecter d éventuel déplacement accidentel : comparaison des deux enregistrements d un même site Transformation des données de pression absolue en élévation géodésique

33 Traitement des données Transformation des données des marégraphes : Calcul de la pression hydrostatique Intrant : pression atmosphérique Transformation de la pression en hauteur d eau Profil de densité (CTD) Variation de la densité en fonction de la température Constante de gravité g fonction de la latitude Rattachement de la hauteur d eau à l élévation géodésique Rattachement avant (calage de la série temporelle) Rattachement après (vérification)

34 Traitement des données

35 Traitement des données Séries temporelles brutes (pressions marégraphiques) aux villages d Ivujivik, de Kangiqsujuaq et de Quaqtaq

36 Traitement des données Validation des données des marégraphes Comparaison des signaux enregistrés pour un même site Evaluation de la stabilité de la différence entre les mesures Distance faible entre les mouillages respectifs : peu ou pas de différence de phase et d amplitude de la marée Résidus par rapport aux moyennes respectives (calculées sur la même période) doivent être identiques Correction du signal d un marégraphe si nécessaire Correction en fonction de la différence entre les résidus au moment du décrochement et ajustement pour le reste de la série temporelle Répétition de la procédure si nécessaire Confirmation de la correction en comparant l élévation géodésique calculée pour le 2e rattachement à l élévation du niveau d eau

37 Traitement des données Exemples de décrochements dans le enregistrements à Ivujivik

38 Traitement des données Calcul de la pression hydrostatique avec Pression atmosphérique du baromètre Validation du signal : dérive et comparaison avec le signal du baromètre d Environnement Canada en général, très bonne corrélation ( R 2 > 0.9) Correction au niveau de la mer :

39 Traitement des données Différence entre les données barométriques d Environnement Illimité inc. et d Environnement Canada à Ivujivik, 09 sept 2011 au 03 sept 2012 Comparaison des enregistrements barométriques RBR vs EC à Ivujivik, 09 sept 2011 au 03 sept 2012

40 Traitement des données Calcul de la hauteur d eau avec Constante gravitationnelle fonction de la latitude du site Densité de l eau Basée sur les mesures de la salinité et de la température réalisées lors de l installation et de la récupération des mouillages (profils verticaux) Profil homogène, mélangé ou stratifié homogène : variation de la densité (σ T ) inférieure à 2 unités mélangé : σ T de 2 à 5 unités stratifié : σ T supérieur à 5 unités Variation saisonnière de la température

41 Traitement des données Ivujivik : profil homogène Puvirnituq : profil stratifié

42 Traitement des données Calcul de la densité (modèle à 2 couches) avec Correction de la densité de l eau pour la variation saisonnière de la température avec

43 Traitement des données Conversion de la hauteur d eau en élévation géodésique Utilisation du 1 er rattachement (après installation du mouillage) pour la conversion Validation avec le 2 nd rattachement (avant récupération) : vérfication de l absence de dérive

44 Rattachements marégraphiques Rattachements à Ivujivik en 2011 (réinstallation) et 2012 (récupération)

45 Rattachements marégraphiques Rattachements à Umiujaq en 2011 (réinstallation) et 2012 (récupération)

46 Mesures géodésiques Mise en place du récepteur GPS au repère existant 84KP121, Umiujaq

47 Mesures géodésiques Mise en place du récepteur GPS au repère implanté AT , Ivujivik

48 Mesures géodésiques L ensemble des données GPS recueillies par Environnement Illimité en 2009, 2010, 2011 et 2012 compilé par la division des levés géodésiques de Ressources naturelles Canada Compilation des résultats de relèvement isostatique de 2009 à 2012 par Ressources naturelles Canada

49 Analyse harmonique des niveaux d eau Etude pour le consortium Ouranos Objectifs : déterminer l amplitude et la phase des composantes de marée les plus importantes estimer le signal résiduel non lié à la marée, ainsi que le niveau d eau moyen sur une base annuelle

50 Analyse harmonique des niveaux d eau Principe : Décomposition de la variance totale des fluctuations du niveau de l eau en une série de variances associées à des harmoniques connues de la marée y(t) = Σ A j cos (2π (σ j t φ j )) avec Outil : Modèle T_Tide sous MATLAB (Pawlowicz et al., 2002) MATLAB est un logiciel commercial développé par MathWorks PAWLOWICZ, R., B. BEARDSLEY ET S. LENTZ Classical tidal harmonic analysis including error estimates in MATLAB using T-TIDE, Computers & Geosciences, 28 (8),

51 Résultats Résultats de l analyse harmonique des données horaires du niveau d eau de la station Ivujivik pour (Z 0 = m)

52 Résultats Résultats de l analyse harmonique des données horaires du niveau d eau de la station Ivujivik pour (Z 0 = m)

53 Équipe Responsables de mandat et conseillers : Anick Guimond (MTQ, gestionnaire de mandat) Yann Ropars (CIMA+, conseiller principal) Jean-Pierre Savard (Ouranos, conseiller scientifique) Équipe de réalisation (Environnement Illimité) : Stéphane Lorrain (directeur de projet) Robert Mathieu (arpenteur) Patrice Delisle (technicien mouillage) Sébastien Cloutier (géographe) Sébastien Bety (technicien arpentage) Marco Drouin (technicien arpentage) Jean Fleury (arpenteur) Geneviève Tremblay (logistique) Travis Arychuk (Private Sky Aviation) Sara Dubosq (océanographe) Yvonnick Le Clainche (océanographe) A.R.K. : Serge Payer Jack Papak

54 Équipe Umiujaq Emily Sappa (Landholding) Peter Novalinga (guide) Ivujivik Annie Kristensen (Mairie) Lucassie Kanarjuaq (guide 2009) Johny Lunku (guide 2010) Kangiqsujuaq Aquujaq Qisliq, Johnny Annahatak (guides 2009) Ikkiarialik Nappaaluk / Tiivi Alaku (guides 2010) Peter Arngak et Markusi Qisiiq (plongeurs 2010) Quaqtaq Robert Deer (Landholding) Josepi et Billy Keleutak (guides) Kuujjuaq Jason Aitchison Akulivik Matewsie Qiluqi Puvirnituq Thomasi Tukalak

55 Merci!

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