Multi-scale assessment of environmental changes impact on subarctic glacierized watersheds hydrology

Chesnokova, Anna (2020). Multi-scale assessment of environmental changes impact on subarctic glacierized watersheds hydrology. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Subarctic glacierized catchments are complex hydrological systems of paramount importance not only for water resources management but also for various ecosystem services. They are environmentally fragile and exert a high sensitivity to changes in climatic forcing. Several studies indicated the hydrological importance of the non-glacierized portions of these watersheds by illustrating the potential water storage capacity and runoff production of their proglacial areas. However, on a watershed scale, the hydrological role of every single component other than glaciers is not yet well understood. I hypothesized that subarctic proglacial areas play an important role in the glacierized watersheds hydrology and that glacier retreat does not entirely define their hydrological response to climate change. Hence, to accurately project the response of subarctic glacierized catchments to environmental changes, it is necessary to better understand and quantify the contribution of each hydrological component in runoff production.

The primary objective of this project is thus to improve the knowledge necessary to project the impact of environmental changes on the hydrology of subarctic regions by (i) isolating and quantifying the role of shrinking glaciers in recent hydrological changes in the southwestern Yukon as well as estimating future hydrological changes in the region, (ii) disentangling the importance of various hydrological components to the total summer runoff in the headwaters of a subarctic glacierized watershed, and (iii) analyzing the genesis of icings to obtain new insights into the generation of winter baseflow and winter hydrological processes in the headwaters of subarctic glacierized watersheds of different complexity. To achieve these objectives, three summer field campaigns in a glacierized watershed of the St. Elias Mountains, Yukon, Canada, were conducted. The data collected were complemented with laboratory activities, statistical analyses, and remote sensing. Due to the high hydrological complexity met in such environments, a multi-technique approach based on the use of natural tracers, hydro-meteorological monitoring and time lapse imagery was applied in the field site to understand hydrological processes within the proglacial areas.

This project confirms that glacier retreat, even if shown to be of primary importance, cannot explain all the hydrological changes in the study region. Whereas increases in yearly and ablation season discharge, decreases in flow variability and changes in ablation season start are characteristics of watersheds with a dominant glacier runoff, increase in winter discharge magnitude and shifts in its timing were observed in all the watersheds independently on their hydrological regime. In the headwaters of a watershed which passed peak water, this project also illustrates the hydrological role of subarctic proglacial field on a watershed scale. In particular, the findings demonstrate that hydrological components such as talus slope tributaries and, possibly, runoff from areas with buried ice contribute significantly to runoff production. It was also found that the contributing sources of the ablation season seem to be active in winter as well, hence highlighting the importance of the proglacial field for the hydrology of the headwaters during both seasons.

The results of this project propose that, to understand the hydrological changes taking place in subarctic mountainous environments, more attention should be given to the headwaters of glacierized watersheds without focusing only on glaciers’ contribution. Instead, future research should focus on identifying the role of specific hydrological features and components, such as areas with buried ice and talus slopes, on a watershed scale. Finally, it demonstrates the importance of working towards incorporating the important hydrological components identified in this study in conceptual and numerical hydrological models.

Titre traduit

Évaluation de l’impact des changements environnementaux sur l’hydrologie des bassins versants glaciaires subarctiques à plusieures échelles

Résumé traduit

Les bassins versants glaciaires subarctiques sont des systèmes hydrologiques complexes d’une importance primordiale non seulement pour la gestion des ressources en eaux, mais aussi pour les différents services écosystémiques. Ce sont des environnements fragiles qui montrent une grande sensibilité aux changements climatiques. Plusieurs études ont démontré l’importance hydrologique des secteurs n’étant pas couverts par un glacier en évaluant la capacité de stockage en eau et le ruissellement créés par les zones proglaciaires de ces bassins versants. Cependant, à l’échelle d’un bassin versant, le rôle hydrologique qu’exerce chaque composante autre que les glaciers n’est pas bien compris. J’émets ici l’hypothèse que les zones proglaciaires des environnements subarctiques jouent un rôle important pour l’hydrologie des bassins glaciaires et que le retrait des glaciers ne définit pas entièrement leur réponse hydrologique aux changements climatiques. Par conséquent, pour prédire avec précision les conséquences des changements environnementaux dans les bassins versants glaciaires subarctiques, il est nécessaire de mieux comprendre et quantifier la contribution de chaque composante hydrologique pour la production d’eau de surface.

L’objectif principal de ce projet est d’améliorer les connaissances nécessaires pour prévoir l’impact des changements environnementaux sur l’hydrologie des régions subarctiques en (i) isolant et quantifiant le rôle de la régression des glaciers sur les récents changements hydrologiques dans le sud-ouest du Yukon ainsi qu’en estimant les variations futures, en (ii) déterminant l’importance de plusieurs composantes hydrologiques sur le ruissellement dans un bassin versant glaciaire subarctique lors de la période estivale, et en (iii) analysant la genèse des aufeis pour obtenir de nouvelles informations sur la création du débit de base et sur les processus hydrologiques lors de la période hivernale dans deux bassins versants aux caractéristiques différentes. Afin d’atteindre ces objectifs, trois campagnes de terrains dans un bassin versant glaciaire des montagnes St Elias au Yukon (Canada) ont eu lieu lors de trois étés consécutifs. Les données récoltées ont été complémentées par des tests en laboratoires, des analyses statistiques et des données de télédétection. À cause de la forte complexité hydrologique généralement rencontrée dans ce type d’environnement, une approche multi-technique a été favorisée pour mesurer les processus hydrologiques des vallées proglaciaires. Celle-ci inclut l’utilisation de traceurs naturels, la prise de données hydrométéorologiques et l’imagerie à intervalle de temps.

Ce projet confirme que le retrait des glaciers ne peut expliquer à lui seul tous les changements hydrologiques ayant lieu dans la région d’étude. Tandis qu’une augmentation des débits annuels et estivaux, une diminution de la variabilité annuelle des débits et un décalage du début de la saison d’ablation sont tous des caractéristiques des bassins versants dont l’hydrologie est dominée par les glaciers, une augmentation du débit hivernale et une variation de sa durée sont observées dans tous les bassins versants, indépendamment de leur régime hydrologique. Ce projet illustre aussi le rôle hydrologique d’une zone proglaciaire subarctique dans la partie amont d’un bassin versant. En particulier, les découvertes de ce projet démontrent que les composantes hydrologiques que sont les affluents des talus et le ruissellement des zones contenant de la glace enfouie contribuent significativement à la production d’eau de surface. Les sources contribuant au ruissellement lors de l’été semblent aussi être actives lors de l’hiver, soulignant du même coup l’importance des vallées proglaciaires pour l’hydrologie locale au cours de ces deux saisons.

Pour comprendre les changements hydrologiques ayant lieu dans les environnements montagneux subarctiques, les résultats de ce projet proposent qu’il faille mettre davantage l’accent sur le développement de nos connaissances des zones en amont des bassins versants glaciaires sans toutefois focaliser uniquement sur la contribution des glaciers. Les prochaines recherches devraient plutôt se faire à l’échelle d’un bassin versant et se concentrer sur l’identification des rôles de chaque composante et caractéristique hydrologiques telles que les aires contenant de la glace enfouie et les talus. Finalement, ce projet démontre la nécessité d’incorporer les composantes hydrologiques identifiées ici comme importantes dans les modèles hydrologiques conceptuels et numériques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 175-209).
Mots-clés libres:	subarctique, changements climatiques, bassins versants glaciaires, hydrologie nordique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Baraër, Michel
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	11 sept. 2020 16:06
Dernière modification:	11 sept. 2020 16:06
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2526

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