Impacts de l'écoulement souterrain sur la dégradation du pergélisol

Abstract

Les changements climatiques mesurés dans le Nord-ouest canadien au cours du XXIe siècle entraînent une dégradation du pergélisol. Certaines des principales conséquences physiques sont la fonte de la glace interstitielle lors du dégel du pergélisol, l’affaissement du sol et la réorganisation des réseaux de drainage. L’effet est particulièrement marqué pour les routes bâties sur le pergélisol, où des dépressions et des fentes se créent de façon récurrente, rendant la conduite dangereuse. Des observations et mesures de terrain effectuées à Beaver Creek (Yukon) entre 2008 et 2011 ont démontré qu’un autre processus très peu étudié et quantifié dégradait le pergélisol de façon rapide, soit la chaleur transmise au pergélisol par l’écoulement souterrain. Suite aux mesures de terrain effectuées (relevé topographique, étude géotechnique du sol, détermination de la hauteur de la nappe phréatique et des chenaux d’écoulement préférentiels, température de l’eau et du sol, profondeur du pergélisol et de la couche active), des modèles de transfert de chaleur par conduction et par advection ont été produits. Les résultats démontrent que l’écoulement souterrain dans la couche active et les zones de talik contribue à la détérioration du pergélisol via différents processus de transfert de chaleur conducto-convectifs. L’écoulement souterrain devrait être pris en considération dans tous les modèles et scénarios de dégradation du pergélisol. Avec une bonne caractérisation de l’environnement, le modèle de transfert de chaleur élaboré au cours de la présente recherche est applicable dans d’autres zones de pergélisol discontinu.

Climate changes affecting the North West portion of Canada alter the thermal state of the permafrost and promote permafrost degradation. The results are permafrost thawing, ground ice melting, surface drainage changes and soil subsidence. Road infrastructures built on permafrost are particularly sensitive to permafrost stability and integrity. Depressions in the road pavement and development of cracks and potholes are recurrent problems for northern infrastructure. Field measurements done along a road transect in the discontinuous permafrost zone near Beaver Creek (Yukon) between 2008 and 2010 demonstrated that another process, advective heat transfer induced by groundwater flow, is promoting permafrost degradation. This process remains poorly known and has not been quantified sufficiently in permafrost environments. Field data on topography, soil geotechnical properties, water table and preferential flowpath characterization, ground and water temperature and active layer and permafrost depth were collected to build coupled models of seepage (mass transfer) and heat transfers. Results indicate that convective heat transfer processes associated with groundwater flow can have a substantial impact on permafrost degradation. Groundwater flow processes should therefore be taken into account in permafrost evolution models and climate warming scenarios. With a good characterization of the environment, the model that has been developed in this present research is relevant in other discontinuous permafrost environments.