This study characterizes the mass transport of ions in two streams in the Great Smoky Mountains National Park, comparing transport between stormflow and baseflow periods. By comparing ion mass transport between these two hydrological conditions, the importance of soil and the governing biogeochemical processes will be underscored. Two water quality monitoring study sites were located on the Middle Prong of the Little Pigeon River and Ramsey Prong within the same basin. These remote sites were equipped with YSI 6920 multi-parameter sonde to record continuous 15-min data of pH, depth, conductivity, turbidity, and temperature. Additionally, ISCO 6712 composite samplers were used to collect stream samples during storm events. Baseflow was collected by grab samples prior to storm events, and stormflow collected by ISCO samplers. Throughfall samples were collected after storm events. All samples were analyzed for pH, ANC, and conductivity using an autotitrator. Inductively coupled plasma spectrometry and ion chromatography were used to determine major cations, trace metals, and anions (Ca2+, Na+, K+, Mg2+, Aln+, Cu, Fe, Mn, Si, Zn, SO42-, NO3-, Cl-, NH4+). Stage-discharge relationships were developed at each site utilizing a combination of field measurements and modeling. Velocity and area field measurements were taken to calculate discharges for mid- to low-flow stages while mid- to upper-flow stages were modeled using RIVER2D and verified with field measurements. Stage-discharge curves and sample ion concentrations were used to compute ion mass transport for a two year period in 2006 through 2008. Differences in mass transport of ions between baseflow and stormflow periods found that greater mass transport of ions, except protons, occurred during baseflow periods. These results indicate that on an annual basis ions are stored from input throughfall sources and released gradually through groundwater flow over time more than rapid interflow transport during storm events. This information illustrates the importance of soils and groundwater storage in the regulation of ion transport and streamwater quality in the Great Smoky Mountains National Park.

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La présente recherche porte sur l'étude de l'écoulement de l'eau dans un canal à surface libre aux abords de structures de restauration tels que les épis. Les épis sont utilisés depuis plusieurs décennies pour contrer les problèmes d'érosion de berges et pour réhabiliter les habitats de poissons. Les problèmes d'érosion de berges sont fréquents et la construction d'épis est une bonne alternative aux techniques de stabilisation de berges structurales tel que l'empierrement : il s'agit d'une solution habituellement moins coûteuse et elle a généralement moins d'impact sur l'environnement. Malheureusement, malgré l'utilisation de ces structures de restauration, la connaissance n'est pas encore assez développée pour permettre à tous les projets de restauration avec épis de connaître le succès escompté. Un mauvais choix de géométrie, d'emplacement dans le cours d'eau ou de profondeur peut mener le projet à l'échec. L'écoulement aux abords de structures de restauration est complexe et plusieurs recherches expérimentales et numériques sont présentement en cours à ce sujet. Ce mémoire présente une recherche qui porte sur trois épis rectangulaires avec une orientation différente (135 degrés, 90 degrés, 45 degrés) confrontés à trois débits différents. Les vitesses mesurées en laboratoire avec un profileur de vitesse acoustique Doppler (ADVP) montrent que l'épi perpendiculaire (90°) est plus influent sur le courant et le potentiel de transport de sédiments que les autres épis. Les contraintes de Reynolds calculées suggèrent aussi que l'épi perpendiculaire serait l'épi qui créerait une zone d'affouillement plus importante que les deux autres épis. Le modèle expérimental a ensuite été modélisé numériquement avec le logiciel d'éléments finis bidimensionnel MIKE21 du Danish Hydraulic Institute (DHI) au Danemark. Les résultats du modèle sont fidèles aux résultats expérimentaux. Une validation a aussi été effectuée avec le logiciel par éléments finis River2D de l'Université d'Alberta. Bien que les vitesses soient légèrement inférieures à celles obtenues par MIKE21 ou en laboratoire, River2D représente bien les distributions générales des vitesses et l'ordre de grandeur de celles-ci. Contrairement à l'opinion de certains chercheurs, qui croient que les logiciels à éléments finis tridimensionnels sont des incontournables pour obtenir une bonne modélisation, les résultats de cette recherche suggèrent que les logiciels d'éléments finis bidimensionnels seraient adéquats pour représenter des projets en rivière.

This study is part of a three year project aimed to assess the effects of industrial water withdrawals on the ice regime of the Athabasca River. A 2-D numerical model was used to provide quantitative data for this effort. Freeze-up monitoring was carried out over two years along 80-km of the river from Fort McMurray to Bitumount. Summer bathymetric and winter ice surveys were conducted along with discharge measurements on a 5-km long detailed study reach that exhibited the full range of ice cover initiation processes. The data collected was used to build a CRISSP2D river ice process model for the simulation of freeze-up processes. An extensive parametric assessment was carried out to evaluate the capabilities of the model. Although it was not possible to simulate bridging, the simulated border ice agreed very well with field observations. Limitations of the model are addressed and future research recommendations are included. / Water Resources Engineering