Dans les régions nordiques, l'accumulation préférentielle d'un couvert neigeux isolant en bordure des infrastructures de transport linéaires limite l'extraction de la chaleur en hiver. En terrain pergélisolé, cette modification de l'équilibre thermique peut être une cause importante de la dégradation du pergélisol sous-jacent affectant grandement les propriétés structurales de la chaussée. Puisque les transferts de chaleur dans le manteau neigeux sont essentiellement gouvernés par le mécanisme de conduction, son effet isolant peut être contré en diminuant l'épaisseur de neige présente sur les pentes et aux pieds du remblai. Pour ce faire, l'adoucissement de la pente des talus favorise un écoulement laminaire du vent qui souffle plus facilement la neige loin du remblai et minimise son accumulation. Les présents travaux de recherche ont pour objectif de mettre au point une méthode de conception visant la stabilisation thermique des infrastructures de transport linéaires construites sur le pergélisol en optimisant la géométrie du remblai de façon à prendre en compte l'accumulation de neige préférentielle. L'approche générale de l'étude repose sur l'utilisation d'un modèle bidimensionnel, réalisé à l'aide du logiciel de modélisation géothermique TEMP/W, qui simule l'effet du couvert neigeux sur le sol sous-jacent. L'instrumentation d'un transect de la piste d'atterrissage de Tasiujaq, au Nunavik, a permis d'y documenter le régime thermique du sol et l'évolution du couvert neigeux. À partir de ces données, le facteur n de gel a pu être exprimé en fonction de la hauteur de neige suivant une équation logarithmique. Cette relation empirique sert de condition limite à la surface du modèle géothermique. Le modèle, calibré et validé à l'aide de températures collectées au site d'essai de Tasiujaq, permet de quantifier l'impact de la géométrie du remblai sur le gradient de température dans le sol d'infrastructure. Ce dernier est calculé à partir de la température à l'interface entre le remblai et le sol et celle à la profondeur de variation d'amplitude annuelle nulle. Un gradient de température nul ou négatif est visé afin de préserver le pergélisol. Un tel régime thermique est obtenu en corrigeant la température à l'interface. Ainsi, afin d'obtenir les températures à l'interface correspondantes, des simulations numériques sont effectuées pour six pentes de talus variant de 45 à 14% (11H : 5V à 7H : 1V), et ce, pour trois hauteurs de remblai. Ultimement, ces résultats sont présentés sous la forme d'un outil de calcul de la pente requise pour assurer la stabilité thermique d'un remblai en fonction de la hauteur du remblai pour des sites où le vent et l'orientation favorise l'accumulation de neige. / In northern regions, preferential accumulation of an insulating snowpack along linear transportation infrastructures prevents the extraction of heat in winter. In permafrost terrain, this thermal equilibrium modification can be a significant cause of the underlying permafrost degradation, which affects the structural properties of the roadway. Since heat transfers through the snowpack are essentially controlled by the mechanism of conduction, its insulating effect can be counteracted by decreasing the thickness of snow on the slopes and at the toe of the embankment. To achieve this goal, the gentle slope promotes a laminar wind flow that blows snow away easily and, therefore, minimizes its accumulation. The main objective of this research project is to develop a design method aiming for thermal stabilization of linear transportation infrastructures built on permafrost by optimizing the embankment geometry to consider the preferential accumulation of snow. The general approach of the study relies on the use of a 2D model (produced with the modeling software TEMP/W) simulating the snowpack effect on the underlying ground. The monitoring of a transect at Tasiujaq airstrip, in Nunavik, documents the thermal regime in the ground and the evolution of the snowpack. Based on those data, the freezing n-factor was expressed as a function of the snow thickness following a logarithmic equation. This empirical relation is used as an upper boundary of the geothermal model. Once calibrated and validated with the data collected at theTasiujaq test site, the model allows to quantify the impact of the embankment geometry on the temperature gradient in the natural subgrade ground. This gradient is calculated from the temperature at the interface between the embankment and the ground and the temperature at the depth of zero annual amplitude. A temperature gradient of zero or less is aimed to preserve the permafrost. This ground thermal regime is obtained by correcting the temperature at the interface. Therefore, numeric simulations are run for six slopes between 45 and 14% and for three embankment thickness. Finally, these results are presented through an engineering tool calculating the slope needed to assure the thermal stability of the infrastructure depending of the embankment height.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 mai 2023) / L'amplification polaire du changement climatique, qui conduit les hautes latitudes à se réchauffer près de deux fois plus vite que les régions tempérées, entraîne la diminution progressive de certaines zones englacées du globe comme celle du pergélisol en Arctique. En profondeur, le dégel du pergélisol modifie le régime hydrologique du bassin-versant associé, impactant les ressources en eau et les écosystèmes aquatiques qui en dépendent. En surface, il se traduit par une augmentation de la couche active et une fragilisation de la stabilité du sol mettant en danger la durabilité des infrastructures locales. Dans ce contexte, il parait indispensable d'établir une carte de suivi long-terme de l'évolution du pergélisol à l'échelle de l'arctique afin d'anticiper les dangers associés à son dégel. Cependant, l'accès difficile et les conditions extrêmes de l'Arctique complexifient grandement l'observation directe, continue et à grande échelle du pergélisol. Si certaines cartes du pergélisol existent déjà, leur résolution est faible et elles restent statiques dans le temps. Cette thèse présente des méthodes indirectes de suivi annuel du dégel du pergélisol, à l'échelle de l'arctique et avec une résolution de l'ordre du bassin-versant puis du pixel. Ces méthodes sont l'analyse de récession de bassin-versant et l'interférométrie d'images radar de surface (InSAR), appliquées à des régions pergélisolées. D'une part, l'analyse de récession reflète, indirectement et à l'échelle du bassin-versant, la dynamique du pergélisol souterrain. En effet, selon Brutsaert (2005), le temps de récession d'un bassin-versant pergélisolé serait inversement proportionnel à la profondeur de dégel du pergélisol. Après analyse de 336 bassins arctiques, cette relation de proportionnalité se révèle complexifiée par l'étendu du pergélisol, les conditions climatiques du bassin, sa topographie et ses propriétés hydrauliques. Ces complexifications hydrologiques sont simulées avec Hydrogeosphere (HGS) à travers un model conceptuel 3D de bassin-versant arctique. Les simulations montrent que l'ouverture de tàlik sous le cours d'eau ainsi que la pente des berges du cours d'eau participent à l'augmentation de la verticalité et de la connectivité des écoulements souterrains ainsi qu'à la non-linéarité du réservoir. Ces résultats limitent l'applicabilité de la méthode d'analyse de récession basée sur le modèle de Brutsaert (2005) aux bassins-versants plats et sous-couverts de pergélisol continu uniquement. Pour les autres bassins-versants arctiques, d'autres modèles d'analyse de récession doivent être développés pour pouvoir en déduire la dynamique du pergélisol. Par ailleurs, la méthode InSAR permet de traduire la vitesse déformation du terrain arctique en vitesse de dégel du pergélisol souterrain. Cette étude s'appuie sur la méthode d'analyse de Daout et al. (2017), appliquée à plus large échelle, sur une région de 390,000 km² dans les basses terres de la baie d'Hudson. Pour cette région, l'étude estime une épaisseur de couche active de 64 cm et un taux d'affaissement de terrain de 2.5 mm/an sur 2015-2021. Si ces résultats nécessitent 15 ans de données satellites pour pouvoir être traduits en taux de dégel du pergélisol, la méthode InSAR a l'avantage d'être applicable pour n'importe quel terrain arctique et ce quel que soit l'étendu du pergélisol souterrain ou sa topographie. Chacune des méthodes offre des solutions prometteuses de cartographie haute résolution de la dynamique du pergélisol sur une large couverture spatiale et temporelle. Cette thèse donne les clefs de traduction d'un événement de récession ou d'une déformation de surface en un taux de dégel du pergélisol associé. Finalement, la transdisciplinarité de cette étude permet de confronter les résultats issus des différentes approches pour mieux les valider. Si la flexibilité et le réalisme du model 3D HGS nous ont permis de comparer les résultats issus des simulations avec ceux issus des analyses de récession des 336 bassins arctiques, il serait intéressant d'en faire de même pour les résultats issus de l'analyse InSAR. / Due to polar amplification of climate change, high latitudes are warming up twice as fast as the rest of the world. This warming leads to permafrost thawing, which modifies the subsurface hydrologic regime of draining watersheds, therefore affecting water resources and related aquatic ecosystems. At the surface, permafrost thawing increases the thickness of the overlying active layer, decreases soil stability, and jeopardizes local infrastructure sustainability. In this context, building a map of long-term permafrost evolution in Arctic regions is essential to anticipate such hazards. However, direct, continuous, and large-scale monitoring of permafrost in the Arctic is very challenging because of difficult access and unfavorable environmental conditions. Even though maps of permafrost exist, their resolution is low and they are static in time. This research presents indirect methodologies to annually update maps of Arctic permafrost at catchment or pixel scales. These methods are the recession analysis of permafrost-dominated catchments and the interferometry of Arctic-surface SAR images (InSAR). On the one hand, recession analysis allows to reflect permafrost thawing dynamics since recession slopes of Arctic catchment hydrographs are linearly related to permafrost thawing depth under Brutsaert (2005) assumptions. The recession analysis of 336 Arctic catchments reveals that the linear relationship may be complexified by the extent of the permafrost itself, the climatic conditions, the landscape topography as well as the hydraulic properties of the catchment. Hydrological complexifications and mechanisms involved when permafrost extent decreases and landscape hillslope increases are simulated with a Hydrogeosphere (HGS) 3D model of a conceptual Arctic catchment. Simulations show that river-tàlik opening and valley incision both clearly increase the verticality and the connections of subsurface flow paths as well as the non-linearity of the reservoir. These results limit the applicability of the recession analysis to flat catchments underlain by continuous permafrost only. For catchments with steeper slopes and with discontinuous permafrost, other models than Brutsaert (2005) should be used to interpret permafrost dynamics from recession analysis. On the other hand, InSAR analysis translates ground surface displacement into permafrost thawing rate. The proposed method is based on previous local studies and tested on the 390,000 km² region of the Hudson Bay Lowlands. For this region, the study reveals a median active layer thickness of 64 cm and a median rate of subsidence of 2.5 mm/yr over 2015-2021. While this method requires at least 15 years to translate active layer thickness and subsidence rate into permafrost thawing rate, the method has the advantage to be applicable to any type of permafrost extent or topography. Both methods provide great opportunities to map permafrost dynamics with large temporal and spatial coverage at a fine resolution. This research provides the keys to relate Arctic river hydrograph dynamics and Arctic surface deformation to permafrost thawing rate. Finally, the research transdisciplinarity allows for method comparison and validation. The flexibility and realism of the HGS model allow to compare permafrost-related outputs derived from both simulations and real-catchment hydrograph analysis. In the future, these outputs could be compared to InSAR results.

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.