L’apport de chaleur induit par les constructions routières est susceptible d’affecter le régime thermique du pergélisol sous-jacent et de causer des dommages importants. Sur l’Alaska Highway au Yukon (Canada), des problèmes d’instabilités sont fréquemment observés et certains sont localisés aux abords des ponceaux. En autorisant la libre circulation de l’air et de l’eau à travers une conduite, des perturbations thermiques additionnelles sont infligées au sol environnant. De plus, une mauvaise gestion du drainage de l’eau aux abords des ouvrages aggrave la sévérité des instabilités. Afin de documenter ces perturbations, deux ponceaux ont été instrumentés sur l’Alaska Highway au Yukon. Le premier est situé au site expérimental de Beaver Creek; le deuxième est proche de la frontière avec l’Alaska. Les températures du sol autour des ponceaux et la température de l’air dans les ponceaux ont été enregistrées pendant une année; tandis que la température de l’eau et le débit ont été enregistrés pendant deux printemps et étés. La collecte de ces données a permis de concevoir un modèle 2D sur le logiciel TEMP/W représentant le remblai et le ponceau de Beaver Creek. En parallèle, les données ont servi à valider un modèle mathématique établi basé sur des principes physiques. Ce modèle permet de calculer le flux de chaleur transmis au sol en fonction du débit et de la température de l’eau. Par la suite, des simulations de variation de débit et de température de l’eau ont été appliquées dans le modèle mathématique. Les différents flux de chaleur correspondants ont été appliqués sur le modèle thermique 2D afin de déterminer l’influence du débit et de la température de l’eau sur les températures du sol sous le ponceau. Des simulations similaires ont été conduites en faisant varier des paramètres de conception comme la présence ou non de l’isolant. Ce mémoire présente donc trois objectifs principaux; 1) l’amélioration des connaissances relatives à l’effet de la circulation de l’eau à travers un ponceau sur le régime thermique du sol sous-jacent; 2) la documentation sur le régime thermique autour de ponceaux routiers; et 3) l’étude de l’influence du débit et de la température de l’eau sur la stabilité thermique du sol. Finalement, une méthode de conception de système de drainage, permettant de limiter l’impact d’un ponceau sur la profondeur de dégel du sol sous-jacent, est présentée dans le présent mémoire. / Heat sources induced by road construction are likely to affect the thermal regime of underlying permafrost and cause significant damage. On the Alaska Highway in Yukon (Canada), instability problems have been observed and some are located close to culverts. Culverts allow free water and air circulation through the buried pipe. Thus, additional thermal disturbances occur at that location. In addition, poor water management around the embankment exacerbates instabilities. To document these disturbances, two culverts were monitored; one is located at the Beaver Creek test site and the second is close to the U.S Border. Air temperature within and soil temperatures around the culverts were recorded for one year, while water temperature and flow rate were recorded during two thawing seasons. The data collection allowed the design of a 2D model in TEMP/W representing thermal conditions around the Beaver Creek culvert. Then, these data were used to validate an established mathematical model based on the physical principles of heat transfer. The mathematical model calculates the heat flux transmitted to the ground as a function of water temperature and flow rate. Subsequently, variations of flow rate and water temperature were applied to the mathematical model. The corresponding heat fluxes were applied to the 2D thermal model in TEMP/W to determine the influence of flow rate and water temperature on soil temperatures below the culvert. Similar simulations were conducted with design parameters, such as the presence or absence of the insulation. This thesis 1) enhanced knowledge of the effects of flow rate and water temperature through a culvert on the soil thermal regime; 2) documented the thermal regime around culverts; and 3) studied the influence of flow rate and water temperature on the thermal regime. Finally, a drainage system design method is presented which aims to minimize the impact of a culvert on the thaw depth.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 avril 2023) / Le contexte géomorphologique de Salluit en fait un casse-tête pour les professionnels et décideurs publics qui tentent de combler au mieux les besoins grandissants en logements et en infrastructures de la communauté. Parmi les contraintes à solutionner dans l'élaboration des plans d'aménagement se trouve le pergélisol salin sensible au dégel et riche en glace qui comble le fond de la vallée de Salluit. Plusieurs processus géomorphologiques périglaciaires y sont observables, comme le tassement différentiel dû au dégel, la gélifluxion, des glissements de terrain de type décrochement de couche active et des évènements de thermo-érosion. Les problématiques liées au pergélisol dans le village ont été étudiées à travers plusieurs projets de recherche scientifique depuis les années 2000. Cependant, les professionnels et décideurs publics de la communauté et du Nunavik qui se succèdent au fil des ans ont encore difficilement accès à ces résultats d'une importance majeure pour l'aménagement du village. Ce projet de recherche appliquée et intégrateur souhaite être initiateur de changement dans les pratiques actuelles de recherche et aborde les problématiques avec une approche non conventionnelle, où une place importante est accordée à la flexibilité dans les méthodes de transfert de connaissances, à la multidisciplinarité, et à la collaboration. Cette flexibilité a par ailleurs permis d'orienter le projet de manière à répondre à différents besoins pour l'aménagement de la communauté, notamment en approfondissant les connaissances sur la géomorphologie et le pergélisol du secteur à développer pour la prochaine phase d'expansion du village (Salluit-4). La capacité de réponse communautaire face aux risques de glissements de terrain est aussi élaborée par la mise au point d'un système technologique intégré de préalerte pour l'évaluation quotidienne du niveau de risque. Dans le contexte où la communication des résultats de recherche pour le public n'est pas encore une pratique courante en science du pergélisol, il importe de partager ces connaissances, qu'il s'agisse de celles produites dans cette étude ou de celles issues des projets antérieurs. À cette fin, une plateforme Web conviviale, accessible et ouverte gratuitement au public a été élaborée dans cette thèse pour assurer l'accès aux données et aux résultats de recherche sur le pergélisol et appuyer tous les acteurs impliqués dans l'aménagement du village de Salluit. / The geomorphological context of Salluit makes it a challenge for practitioners and decision makers to respond to the growing housing and infrastructure needs of the community. Among the constraints to be addressed in the land use planning is the ice-rich, thaw-sensitive saline permafrost that fills the valley floor of the village. Hazards associated with several periglacial geomorphological processes occur on community lands, such as differential thaw settlement, gelifluction, active-layer detachment slides and thermal erosion events. Permafrost-related issues in the village have been studied through several scientific research projects since the early 2000s. However, practitioners and public decision makers in the community and in Nunavik have had only a poor access to these results, which are of major importance for the development of the village. This applied and integrative research project aims to initiate change in current research practices and addresses the issues with an unconventional approach, where flexibility in knowledge transfer methods, multidisciplinary, and collaboration are emphasized. This flexibility has also allowed the project to be oriented to meet different needs for community planning, notably by enhancing knowledge of the geomorphology and permafrost of the area to be developed for the next phase of community expansion (Salluit-4). Community response capacity to landslide risks is also being improved through an integrated technological early warning system for daily risk assessment. In the context where communicating research results to the public is not yet a common practice in permafrost science, it is important to share this knowledge, both from this study and from previous projects. To this end, a user-friendly, publicly accessible and freely available web platform was developed in this thesis to ensure access to permafrost data and research results and to support all stakeholders involved in the development of the village of Salluit.

Cette étude porte sur la participation des processus hydrologiques dans le régime thermique et la dégradation du pergélisol. L'eau emmagasinée dans les lacs de thermokarst est une source importante de chaleur qui accélère la dégradation du pergélisol. Les buttes cryogènes encore présentes dans l'environnement peuvent empêcher le réseau de drainage de se développer normalement. L'élaboration d'un modèle numérique bidimensionnel permet de simuler le développement rapide d'un talik occasionné par une mare de thermokarst adjacente à une butte cryogène. En raison de l'importante modification de la macrostructure d'un sol fin riche en glace au moment de la fusion, l'infiltration d'eau est susceptible de devenir une variable thermiquement importante. L'application d'un terme source qui évalue différentes valeurs de conductivité hydraulique du pergélisol en fusion au contact d'une mare permet d'estimer dans quelle mesure ce processus encore peu observé ou testé en laboratoire pourrait contribuer à la fonte accélérée du pergélisol.

Trois techniques de mitigation, un remblai à convection d'air, une section à drain thermique et une section à pente adoucie, ont été mises en place dans l'épaulement du remblai de la piste d'atterrissage de l'aéroport de Tasiujaq afin de valider, par des essais en conditions réelles d'exploitation, leurs efficacités respectives. Ces trois techniques favorisent l'évacuation de la chaleur contenue dans le sol, afin de préserver l'intégrité du pergélisol présent sous la piste. Cette étude présente les résultats des trois années de suivi des données thermiques. Par ailleurs, des simulations numériques effectuées avec le logiciel GéoStudio, ont permis de reproduire ce que pourrait être le comportement d'une section de référence sans les écoulement d'eau qui perturbent grandement la section de référence instrumentée à Tasiujaq. Enfin une étude économique des différentes techniques de mitigation a été réalisée sous l'approche coût / bénéfice technique.

Cette thèse présente une étude du système érosion-transport-sédimentation en milieu de thermokarst dans un contexte de réchauffement climatique. La zone d’étude comprend le bassin versant de la rivière Sheldrake, 5 km au nord du village Umiujaq au Nunavik, ainsi qu’une zone de 15 km2 au large de son embouchure, dans le Passage de Nastapoka, en baie d’Hudson. Trois axes majeurs sont considérés: 1- l’étude des conditions de pergélisol et l’estimation quantitative des masses et volumes de sédiments et de carbone érodés à l’échelle du bassin versant ; 2- la mesure du régime hydrologique et sédimentaire du principal vecteur de transport, la rivière Sheldrake ; 3- la bathymétrie, la sédimentologie et la mesure des apports sédimentaires et organiques dans le milieu marin côtier au large de l’embouchure de la rivière. Dans le bassin versant de la rivière Sheldrake, le pergélisol s’est considérablement dégradé au cours des 50 dernières années, particulièrement dans la toundra forestière. La subsidence des lithalses, des palses, des plateaux de pergélisol et des plateaux palsiques engendre la formation de mares de thermokarst. De nombreux glissements de terrain et des ravins d’érosion sont également actifs et favorisent le rejet de sédiments dans le réseau fluvial. Avec la dégradation du pergélisol, la connectivité hydrologique augmente, ce qui facilite l’évacuation des sédiments et du carbone via le cours d’eau principal. Dans cet environnement thermokarstique, la charge sédimentaire fluviale en suspension est plus importante en été alors que les températures élevées de l’air commandent le dégel des sols, favorisant l’activation des ostioles et le déclenchement des glissements de terrain. Les pluies estivales permettent le transport et l’évacuation des sédiments en baie d’Hudson. Parvenus en mer, les sédiments et le carbone transportés en suspension subissent une forte dispersion à cause de l’intensité des courants marins du Passage de Nastapoka. Il en résulte l’absence d’une augmentation mesurable du taux de sédimentation. En revanche, la composition isotopique du carbone sédimentaire montre que la fraction terrigène a augmenté depuis le Petit Âge Glaciaire et que ce phénomène s’est considérablement accéléré vers la fin du 20ème siècle. Il est suggéré que la dégradation du pergélisol contribue à cette augmentation, quoique ce ne soit pas le seul facteur qu’on puisse invoquer. / This thesis studies the system erosion-transport-sedimentation in a thermokastic area, in a context of warming climate. The study area encompasses the catchment of the Sheldrake River, 5 km north of the village Umiujaq, Nunavik, and a 15 km2 area off its mouth, in the Nastapoka Sound, in Hudson Bay. Three main axes are considered: 1- study of permafrost conditions and quantitative estimate of the volumes and masses of eroded sediment and organic carbon at the scale of the catchment; 2- measurements of the hydrological and sedimentary regime of the main vector of transport, the Sheldrake River; 3- bathymetry, sedimentology and measurements of mineral and organic inputs in the coastal marine environment, off the river mouth. In the Sheldrake River catchment, permafrost has considerably degraded during the last 50 years, particularly in the forested tundra. Subsidence of lithalsas, palsas, permafrost plateaus and peat plateaus leads to the formation of thermokarst ponds. Many landslides and erosion gullies are also active and favor inputs of sediments in the fluvial network. Because of permafrost decay, hydrological connectivity increases, facilitating evacuation of sediment and carbon through the river. In this thermokarstic environment, the fluvial sedimentary load in suspension is more important during summer when high air temperatures provoke soils thawing, favoring frostboils activation and triggering of landslides. Summer rainfalls allow sediment transport and evacuation in Hudson Bay. Once in the sea, the sediments and carbon in suspension are dispersed because of the intensity of the marine currents in the Nastapoka Sounds. This results in an absence of a measurable increase of sedimentation rates. However, the isotopic composition of sedimentary carbon shows that the terrestrial fraction has increased since the Little Ice Age and that this trend has significantly accelerated since the end of the 20th century. It is suggested that permafrost decay contributes to this increase, although it is not the only proposed source.