by | par: Alina Kostyuk
Translation by | traduit par: Florence Dancose
Une version française de cet article suit la version anglaise.
With the onset of climate change and global warming, extreme weather events, especially those relating to rain patterns, are a major concern. This is because warm air can hold more moisture than cold air, thus producing more precipitation. As such, extreme rain events and tropical storms are predicted to become more intense and frequent. These types of extreme weather events are an area of interest for our lab group. Part of our work in the field involves collecting water samples from streams during or shortly after rain events and analyzing them for different water quality parameters. The idea is to observe how these parameters change as rain adds new water into catchment systems.
In August of 2024, our group was able to collect stream water samples following an extreme rainfall event: the remnants of tropical storm Debby. Debby first developed in the Gulf of Mexico in early August, before increasing in intensity and making landfall over Florida on August 5. After remerging in the Atlantic Ocean on August 7, Debby changed trajectory and headed inland through the United States, heading north towards Canada. The remnants of Debby, which were much weaker than the original tropical storm, reached southern Quebec on August 9, and brought record-breaking rainfall to the area. Montreal received 154 mm of rain within 24 hours, causing widespread flooding and evacuations in the area. This was the costliest weather event Quebec has ever experienced.
The path of tropical storm Debby after it reemerged in the Altantic Ocean on August 7 (Image from the Canadian Hurricane Centre, 2024).
For our research, with two study catchments located along Debby’s path, we needed to capture this event. Before the rain began, we went to the study sites and set up instruments that would automatically collect water from the nearby stream or river every 4-6 hours. This high frequency of sampling would allow us to compare water quality conditions through the different phases of the event. After the rain mostly ended, we returned to the sites and collected the water samples. Both streams had very high water level, and the collected samples were very turbid, meaning that they had lots of suspended sediments. Upon return to our laboratory on campus, the water samples were filtered to remove all suspended particles and stored in a fridge until we could analyze them.
Left: Elevated water level at Ruisseau à l’Ours. Right: turbid water samples collected from the West Creek at the Gault Nature Reserve.
Some preliminary results show that in a forested stream (the West Creek at the Gault Nature Reserve), select nutrients had higher concentrations during Debby when compared to the average. This would mean that the new water mobilized (i.e., picked up) these nutrients from the catchment and carried them into the stream. On the other hand, in an agricultural stream (Rivière à l’Ours near Saint Jean Baptiste), some water nutrient concentrations decreased during Debby. This is an example of a dilution effect – the new water may have picked up significant amounts of nutrients while travelling through the catchment but the very large amount of runoff water diluted (i.e., reduced) the concentrations that were present in the stream. Other chemical parameters increased in all streams in response to Debby. This shows how studying these extreme events can help us understand important differences in the hydrologic processes at play in different catchments.
Dans le présent contexte de changement et de réchauffement climatique, les phénomènes météorologiques extrêmes, en particulier ceux liés aux régimes pluviométriques, constituent une préoccupation majeure. En effet, l’air chaud peut contenir plus d’humidité que l’air froid, ce qui entraîne davantage de précipitations. Ainsi, les épisodes de pluies extrêmes et les tempêtes tropicales devraient devenir plus intenses et plus fréquents. Ce type de phénomènes météorologiques extrêmes intéresse particulièrement notre groupe de recherche. Dans le cadre de nos travaux sur le terrain, nous prélevons des échantillons dans les cours d’eau pendant et après les périodes de pluie et nous les analysons afin d’étudier différents paramètres de qualité de l’eau. L’objectif est d’observer comment ces paramètres évoluent à chaque fois que la pluie apporte de l’eau nouvelle dans un bassin versant.
En août 2024, notre groupe a pu prélever des échantillons d’eau de cours d’eau à la suite d’un événement de pluie extrême : les vestiges de la tempête tropicale Debby. Debby s’est d’abord formée dans le golfe du Mexique au début du mois d’août, avant de gagner en intensité et de toucher terre en Floride le 5 août. Après avoir émergé à nouveau dans l’océan Atlantique le 7 août, Debby a changé de trajectoire et s’est dirigée vers l’intérieur des terres des États-Unis, puis vers le nord en direction du Canada. Les vestiges de Debby, beaucoup plus faibles que la tempête tropicale initiale, ont atteint le sud du Québec le 9 août, apportant des précipitations record dans la région. Montréal a reçu 154 mm de pluie en 24 heures, provoquant des inondations généralisées et des évacuations . Il s’agit de l’événement météorologique le plus coûteux que le Québec ait jamais connu.
Trajectoire de la tempête tropicale Debby après sa réapparition dans l’océan Atlantique le 7 août (Image provenant du Centre canadien de ourigan, 2024).
Pour nos recherches, avec deux bassins versants expérimentaux situés le long de la trajectoire de Debby, nous devions capturer cet événement. Avant que la pluie ne commence, nous nous sommes rendus sur les sites d’étude et nous y avons installé un instrument qui prélève automatiquement l’eau du ruisseau ou de la rivière à proximité toutes les 4 à 6 heures. Cette haute fréquence d’échantillonnage était pour nous permettre de comparer la qualité de l’eau pendant toutes les phases de l’événement de pluie. Une fois la pluie presque terminée, nous sommes retournés sur les sites et avons prélevé les échantillons. Les deux cours d’eau avaient un niveau d’eau très élevé et les échantillons prélevés étaient très troubles, ce qui signifie qu’ils contenaient beaucoup de sédiments en suspension. De retour à notre laboratoire sur le campus, les échantillons ont été filtrés pour éliminer toutes les particules en suspension et conservés au réfrigérateur jusqu’à ce que nous puissions les analyser.
À gauche : Niveau d’eau élevé au ruisseau à l’Ours. À droite : Échantillons d’eau turbide prélevés dans la réserve naturelle de Gault.
Des résultats préliminaires montrent que dans un cours d’eau boisé (le ruisseau de l’ouest à la réserve naturelle Gault), certains nutriments présentaient des concentrations plus élevées pendant Debby par rapport à la moyenne. Cela signifierait que les nouvelles eaux ont mobilisé (c’est-à-dire entrainé) ces nutriments depuis le bassin versant et les ont amenées dans le cours d’eau. En revanche, dans un cours d’eau agricole (le Ruisseau à l’Ours près de Saint-Jean-Baptiste), certaines concentrations de nutriments dans l’eau ont diminué pendant Debby. Il s’agit là d’un exemple d’effet de dilution : la nouvelle eau a peut-être entrainé des quantités importantes de nutriments en traversant le bassin versant, mais les volumes importants d’eau de ruissellement ont eu pour effet de diluer (c’est-à-dire, de réduire) les concentrations présentes dans le cours d’eau. Cependant, d’autre paramètres chimiques ont augmenté dans les cours d’eau échantillonnés dans la foulée de la tempête tropicale Debby. Cela montre comment l’étude d’événements extrêmes peut nous aider à comprendre les différences dans les processus hydrologiques qui prévalent dans différents bassins versants.
Ecohydrological Systems Laboratory - Laboratoire sur les systèmes écohydrologiques 